当前计算架构的演变、制造工艺的进步已经很难推动芯片计算速度的发展,各种新型应用带来的数据爆炸导致数据访问性能和计算性能的失衡不断增长,从而推动了许多新型随机存取存储器(RAM)技术的发展。比较典型的新型 RAM 技术包括磁阻 RAM(MRAM)、电阻式 RAM(ReRAM)和相变 RAM(PCRAM)。这些新型器件一直受到行业的广泛关注,但是直到最近,其商业实现还寥寥无几。现在,得益于更先进的制造系统的不断发展,这种雷声大雨点小的局面马上就要改变了。

 

在这些新型 RAM 技术中,MRAM 对物联网和边缘计算设备特别有吸引力。因为,它能实现比目前这类硬件上的首选存储类内存 -NAND 闪存 - 低得多的功耗,同时实现非易失性数据存储。同时,MRAM 本身访问速度也相当快,这意味着您不仅可以用它取代这类硬件设备上的闪存,还可以替换掉大部分 SRAM,从而进一步节约成本。

 

在 MRAM 这个赛道中,三星已于今年三月份发售了首款 MRAM 产品,台积电的产品则正被 Gyrfalcon 技术公司用在其 AI 加速器中。还有 Everspin,该家 MRAM 提供商的产品被 IBM 用作高容量(19TB)SSD 的缓存。就在上周,Everspin 宣布其 MRAM 产品得到了 Sage 微电子用于企业级 SSD 的闪存控制器的支持。

 

和 MRAM 的目标市场不同的是,ReRAM 和 PCRAM 更有可能出现在数据中心服务器中,这两种器件是存储级内存的理想选择。SCM 提供了一种比 NAND 产品快得多并且比 DARM 更加便宜的中间存储器层。英特尔的 3D XPoint Optane Persistent Memory 产品似乎使用某种相变技术,是 PCRAM 技术的早期应用实例。

 

应用材料公司金属沉积产品副总裁凯文莫拉斯表示,这些新型存储器的商业化正是由物联网和边缘计算设备以及互联网用户产生的大量数据推动的。这类数据不断涌现,预计将从 2018 年的大约两个 zettabyte 增加到 2022 年的 10 个 zettabyte。从更一般的技术角度来说,这类数据需求在很大程度上是由人工智能和数据分析应用推动的。

 

在数据量飙升的同时,由于传统 CMOS 技术的限制,处理器性能的增长曲线已经趋于平缓。在上个世纪 80 年代和 90 年代的鼎盛时期,Dennard 缩放速度、摩尔定律的表现每年都会超过 50%。但是,Dennard 缩放定律已经寿终正寝,摩尔定律则步履蹒跚。现在,处理器性能的年度提升率仅为 3.5%。

 

“由于摩尔定律的放缓,数据的增长速度远远超过了计算增长速度,”莫拉斯告诉记者。“因此,我们认为行业将会推出一整套新的硬件架构,以提高计算效率。而提高计算效率的关键则在于这些新型存储器。”

 


作为全球最大的半导体设备制造商,应用材料公司是许多业界顶级代工厂的主要供应商,包括英特尔、台积电、三星和格罗方德。此外,它还与 IBM、SK 海力士、Crossbar 和 Spin 内存等公司在产品开发方面进行了合作。应用材料公司成立于 1967 年,在过去的半个世纪中一直推动并见证了摩尔定律的发展。

 

虽然在过去五十年中半导体制造材料相对而言比较稳定,但是莫拉斯表示这种局面现在正在发生变化。以前,除了硅以外,只有很少种类的元素可以用于芯片制造,比如用作 CMOS 掺杂剂的硼。现在,锗、硒、碲、氮和过渡金属氧化物这些元素和化合物都进入了芯片制造领域,特别是在这些新型存储器件中更是可以见到这些新材料的身影。“现在就像是狂野的西部时代,”莫拉斯说。“人们开始使用各种材料制造芯片。”

 

从根本上来说,这使得半导体技术的发展从主要面临物理上的挑战向面临物理和材料上的双重挑战而变化。这无疑会使制造过程更加复杂,需要更为精确的控制材料沉积的方法。这些新型存储器要用于广泛的商业用途,制造过程必须足够稳健才能实现相应的精度和性能。

 

这正是应用材料公司的用武之地。最近,该公司宣布了一系列专为大批量生产 MRAM、PCRAM 和 ReRAM 而设计的新系统,目的是帮助使得基于这些新型技术的器件更加可靠和经济高效。

 

应用材料公司的 MRAM 系统 Endura Clover MRAM PVD 是一种九室设备,可控制 MRAM 所需的 30 种不同材料层的沉积。根据莫拉斯的说法,这个系统可以在亚埃级的精度上实现沉积,从而使得内存的耐久性达到商业应用水平。莫拉斯表示,得益于其新系统更为精细的沉积技术,他们将 MRAM 的耐久性提高了 100 倍。应用材料公司把其 Clover 平台出货给了五家客户,其中一个正式提供嵌入式 MRAM 产品的初创公司 Spin Memory。

 

应用材料公司有另一个名为 Endura Impulse PVD 的新平台,使用了类似的九腔设计来制造 ReRAM 和 PCRAM 晶圆,在这个系统中,使用了真空沉积方案保证各层的厚度和成分的均匀性。该平台有 8 个早期的客户,包括 ReRAM 制造商 Crossbar。

 

最近在新型 RAM 技术领域的进展能否开启新型 RAM 市场的腾飞还有待进一步观察。当然,如果应用材料公司制造新 RAM 的系统取得了成功,也就理所当然地意味着市场上将出现更多使用了这些替代性的新型 RAM 器件的设备,同时也可能会出现一些新的存储器供应商。当然,这并不是说 DRAM、SRAM 和 NAND 闪存会很快消失,这些更为成熟的技术还有很长的寿命周期。但是,就像曾经发生在处理器领域的事情那样,在未来几年内,我们将会看到更加多样化的内存技术,来应对日益复杂和苛刻的应用环境。

 

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