替代闪存的存储新技术有哪些？

近十年来，在高速成长的非易失性存储器(NVM)市场的推动下，业界一直在试图利用新材料和新概念发明一种更好的存储器技术，以替代闪存技术，更有效地缩小存储器，提高存储性能。目前具有突破性的存储技术有铁电RAM(FRAM)、磁性RAM(MRAM)、相变RAM(PRAM)或其他相变技术。本文将分别介绍这些技术的特点、比较和研发进展。

新一代存储技术显现“多、快、省”特点

MRAM是一种非易失性磁性随机存储器。它拥有静态随机存储器(SRAM)的高速读取写入能力及动态随机存储器(DRAM)的高集成度，基本上可以无限次重复写入。其设计原理非常诱人，它通过控制铁磁体中的电子旋转方向来达到改变读取电流大小的目的，从而使其具备二进制数据存储能力。MRAM的主要缺点是固有的写操作过高和技术节点缩小受限。

为了克服这两大制约因素，业界提出了自旋转移矩RAM(SPRAM)解决方案，这项创新技术是利用自旋转换矩引起的电流感应式开关效应。尽管这一创新方法在一定程度上解决了MRAM的一些常见问题，但还有很多挑战等待研究人员克服，如自读扰动、写次数、单元集成等。

目前，MRAM只局限于4Mb阵列180nm工艺的产品。另外，MRAM的生产成本也是个不小的问题。MRAM研发可分为三大阵营，除了东芝、海力士之外，三星电子也在进行研发。

PRAM是最好的闪存替代技术之一，能够涵盖不同非易失性存储器应用领域，满足高性能和高密度两种应用要求。它利用温度变化引起硫系合金(Ge2Sb2Te5)相态逆变的特性，利用电流引起的焦耳热效应对单元进行写操作，通过检测非晶相态和多晶相态之间的电阻变化读取存储单元。

从应用角度看，PRAM可用于所有存储器，特别适用于消费电子、计算机、通信三合一电子设备的存储器系统。常用相变材料晶态电阻率和结晶温度低、热稳定性差，需要通过掺杂来改善性能。

目前，人们也在寻找性能更加优良的相变材料，以最大限度地发挥PRAM的优越性。

FRAM是一种随机存取存储器技术，已成为存储器家族中最有发展潜力的新成员之一。它使用一层有铁电性的材料取代原有的介电质，使得它也拥有像EEPROM一样的非易失性内存的优势，在没有电源的情况下可以保存数据，用于数据存储。FRAM具有高速、高密度、低功耗和抗辐射等优点。

作为非易失性存储器，FRAM具有接近SRAM和DRAM等传统易失性存储器级别的高速写入速度，读写周期只有传统非易失性存储器的数万分之一，但读写耐久性却是后者的1000万倍，达到了10万亿次，可实现高频繁的数据纪录。

目前，厂商正在解决由阵列尺寸限制带来的FRAM成品率问题，进一步提高存储密度和可靠性。今天，FRAM技术研发的主攻方向是130nm工艺的64Mb存储器。目前，富士通半导体集团控制着FRAM的整个生产程序，在日本有芯片开发和量产及组装设施。

逐渐在物联医疗领域应用

相对传统存储技术，新一代存储具备自身的优势与特点。以FRAM为例，以“多、快、省”的特点在业界独树一帜，有助于解决应用瓶颈，促进产品创新。

“多”是指FRAM的高读写耐久性(10万亿次)的特点，可以频繁记录操作历史和系统状态;“快”是指高速烧写特性，可以帮助系统设计者解决突然断电丢失数据问题;“省”是指FRAM超低功耗的特性，特别是写入时无需升压。

将照相机实拍的一张照片分别存储到EEPROM和FRAM中，直观比较图像数据写入过程中EEPROM和FRAM的性能差异。可以发现使用并口传输数据，FRAM存储数据用了约0.19秒，而EEPROM用了约6.23秒;FRAM存储数据的比特率约为808kB/s，而EEPROM存储数据的比特率约为24kB/s;功耗方面，FRAM约为0.4mW，而EEPROM约为61.7mW。FRAM的快速读写和超低功耗特性显而易见。

过去几年，富士通FRAM在中国的电力仪表(三相表和集中器)、工业控制、办公设备、汽车音响导航仪器、游戏机、RFID、医疗器械及医疗电子标签等行业取得了可喜成绩。其FRAM主要包括三大类(单体FRAM、RFID和内嵌FRAM的认证芯片)，在很多产业领域实现了批量应用，并促成了大量的创新应用案例。

不同存储器都有其各自的优势和缺点，而存储器市场需要更高密度、更高速度、更低功耗、具有非易失性且价格便宜的存储器产品，所以由消费类产品驱动的存储器市场在呼唤性能更优存储器技术。

(作者蔡振宇，系富士通半导体(上海)有限公司市场部经理)