铁电存储器，美光全球首创

美光科技开发的一篇关于非易失性铁电存储器的论文计划在今年 12 月的国际电子器件会议上发表。

该论文的摘要称，与传统 DRAM 相比，堆叠式内存可以提供更快的数据移动并容纳更大的神经网络模型，同时提供能源效率。从美光的这篇题为《NVDRAM: A 32Gb Dual Layer 3D Stacked Non-Volatile Ferroelectric Memory with Near-DRAM Performance for Demanding AI Workloads》的论文中可以看到，该存储可满足高要求的 AI 工作负载，该论文将在专注于生成 AI 的会议会议上发表。主要作者是美光先进 DRAM 和新兴内存副总裁 Nirmal Ramaswamy。

虽然近内存计算和内存处理等新颖的计算机架构是热门的研究主题，但美光研究人员断言，近期有机会为现有的传统计算架构配备更高效的内存。

论文摘要声称这是世界上第一个双层、高性能、32Gbit 可堆叠和非易失性铁电存储器技术，美光科技为该技术赋予了非易失性动态随机存取存储器 (NVDRAM) 的矛盾标签。

尽管如此，该技术还显示出除人工智能之外的各种应用的潜力。它结合了铁电存储单元的非易失性和高耐用性，同时超越了 NAND 闪存的保留性能，并提供类似 DRAM 的读/写速度。

该存储器包括与传统电容器一样的5.7nm铁电电容器，并采用传统DRAM的1T1C架构。存储器堆叠有双栅多晶硅晶体管作为存取控制器件。

32Gbit NVDRAM 的扫描电子显微照片横截面，该 NVDRAM 具有双堆叠 1T1C 存储层，在 CMOS 阵列上制造。资料来源：IEDM

为了最大限度地提高存储密度，堆叠式双存储层被放置在 48 纳米间距的 CMOS 访问电路之上。

由于 IEDM 是一个学术会议，因此不太可能对这种存储器的商业引入进行任何正式讨论。但对于它来说，要解决“近期机会”，它表明关于其引入的进行/不进行的决定要么已经做出，要么即将做出，可能取决于演示后的反馈。

除了NAND和DRAM以外，这个市场上已经出现了多种新兴存储技术，其中大多数内存技术都涉及某种非易失性内存，这些内存以一种或多种关键方式改进了 NAND 闪存。许多新的存储器技术可能首先用作嵌入式存储器，放置在具有 CMOS 逻辑的芯片上，但由于涉及单位体积，所有这些存储器工作的圣杯是“存储级存储器”的开发，这需要与 NAND 闪存一样是非易失性的，但与 DRAM 一样快或最好比 DRAM 更快，以便两种现有的存储器类型都可以被一种新类型取代。

这是一项艰巨的任务，也是人们所渴望的，但尚未实现。与此同时，以下是三种新兴内存技术的漫步，以及我使用这些技术的一些经验。

根据相关报告，铁电存储器是在 1952 年发明的。贝尔实验室随后于 1955 年构建了一个集成的 256 位 FRAM 阵列，作为一个没有有源半导体元件的单片器件，三年后，杰克·基尔比 (Jack Kilby) 拼凑起来并在德州仪器 (TI) 发明了第一个集成电路。20 世纪 80 年代末，科罗拉多斯普林斯的一家名为 Ramtron 的公司完成了 FRAM 的早期商业化工作。他们写：

“FRAM 的销量似乎比所有其他新兴内存类型的销量总和还多。富士通在其地铁票价卡 RFID 芯片中使用了 FRAM，迄今为止已售出超过 40 亿颗此类芯片。”

FRAM 利用某些晶格的独特物理特性。在这些铁电材料中，原子可以占据晶格内两个稳定位置之一。电场将晶格内的移动原子移动到两个稳定位置之一，具体取决于电场的极性和一些物理属性（可能是电容或电阻），具体取决于被捕获原子的位置。

任何类型的 40 亿个芯片都是很多芯片，即使它被用作地铁票价代币，那么为什么 FRAM 经过这么长时间、在运送了所有这些数十亿个芯片之后仍然不为人知呢？半导体晶圆厂经理不太喜欢铁电材料，因为它们含有元素周期表元素，例如铅或铋，很容易污染晶圆厂。因此，FRAM 作为非易失性嵌入式片上存储器的用途有限。相关报告也指出，氧化铪和氧化锆也可以通过配制来表现出铁电特性，而且这些材料已经因其他原因在晶圆厂中使用，因此 FRAM 的未来故事很可能会继续下去。

1971年，加州大学伯克利分校的Leon Chua写了一篇理论论文，题为“Memristor–The Missing Circuit Element”。该论文描述了第四种基本无源电子器件——忆阻器，它根据先前流过该器件的电荷量来调节流经自身的电流。Chua并没有建造这样的设备。在 1971 年之前，忆阻器还只是理论上的，这是一个假设的设备，满足了用于描述其他三种基本无源电子元件（电阻器、电容器和电感器）行为的方程中对称性的明显需求。忆阻器在理论上存在，但在实践中并不存在。

近四十年后，即 2008 年，这一切都发生了变化，当时惠普实验室宣布它已成功用二氧化钛制造出忆阻器，并且忆阻器是可用于存储模拟或数字数据的非二进制器件。这是一个令人振奋的消息，人们很快就预测 DRAM 即将消亡，并被电阻式存储器或 RRAM 形式的忆阻器所取代。此外，惠普表示，它将在即将推出的名为“The Machine”的登月计算机中使用 RRAM。

到 2015 年，惠普做出了让步，表示将在 The Machine 中使用 DRAM，而不是忆阻器。惠普推出忆阻器十五年后，RRAM 革命尚未发生，而且似乎不会很快发生，但RRAM 的时代可能已经到来——毫无疑问，很快就会到来。

相变存储器或 PCM 使用材料的一些主要物理转变（例如晶态和非晶态之间的转变）以及电气特性的相关变化来存储数据。根据其历史，Optane 内存很可能是 PCM 的一种。Optane 的根源可以追溯到一位名叫斯坦福·奥夫辛斯基 (Stanford Ovshinsky) 的多产发明家，他花了数十年时间研究非晶半导体的特性和用途。

奥夫辛斯基 (Ovshinsky) 于 1960 年创立了能量转换实验室，研究非晶材料及其相变特性。该实验室于 1964 年更名为能量转换设备 (ECD)，奥夫辛斯基的众多创新之一是以他自己的名字命名的 Ovonics 相变存储器。英特尔和美光最终与 Ovshinsky 和 ECD 合作，获得了 Ovonics 相变内存知识产权的许可，并于 2015 年大张旗鼓地发布了 3D XPoint PCM。

美光和英特尔在 3D XPoint PCM 上投入了大量精力并引起了人们的兴奋，但我似乎记得该技术报告的早期问题之一是适度的热量可能会使 PCM 存储单元中的位直接退火，并且有数据中心服务器内部有大量可用热量。这个热量问题意味着 PCM 可能需要像 DRAM 一样进行刷新。根据环境温度的高低，刷新周期可能需要相当频繁，大约几秒钟。不过，最近我没有听说过这个问题，所以也许它已经解决了。

尚未解决的问题是每比特的相对成本。英特尔在 Optane 存储设备上的损失以及美光之前退出 3D XPoint 合资企业都证明，即使是英特尔和美光等主要半导体制造商也很难使 PCM 具有价格竞争力，即使他们经过了十年的研发努力。

回顾历史显示，第一台使用磁存储器的计算机是麻省理工学院旋风计算机项目，该项目于 1953 年 8 月 8 日获得了世界上第一台磁芯存储器。磁芯存储器在接下来的二十年里完全统治了计算机存储空间。然而，英特尔在 1970 年底推出了第一款商用半导体 DRAM 1103，敲响了磁芯存储器的丧钟。

核心内存仍然是一种手工编织的产品，因此价格昂贵。尽管公司确实尝试过，但它抵制了一切自动化制造的努力。他们只是失败了。与此同时，半导体DRAM利用了大规模生产制造技术，使集成电路成为电子行业的驱动力，从光刻开始。磁芯存储器似乎在一夜之间消失了。到 1975 年，DRAM 明显统治了内存领域。

多年来，磁记忆一直让技术专家着迷。从 20 世纪 70 年代末开始，英特尔、西部电气、德州仪器、罗克韦尔、国家半导体、日立、西屋、摩托罗拉、富士通和夏普都曾尝试将磁泡存储器商业化，但均以失败告终。IBM 从 2000 年代初期开始开发了 Racetrack 内存，这是气泡内存的更新版一维版本。还没到那儿。即使其中一种磁存储技术取得了成功，它们也是串行存储器，因此速度相对较慢，并且仅适用于磁盘替换，或者目前仅适用于替换基于 NAND 闪存的 SSD。

磁性 RAM（MRAM）尝试将基于光刻的半导体生产的大规模制造技术与磁性位存储相融合。非易失性 MRAM 现已作为 Everspin Technologies 的商业产品提供。Everspin 表示，其 MRAM 芯片已售出数百万颗。这与 DRAM 和 NAND 闪存单位体积相差甚远，但也并非一无是处。

然而，与 DRAM 和 NAND 闪存芯片相比，MRAM 存在两个显著的竞争问题：每芯片的位密度和成本。MRAM 供应商正在尝试各种方法来克服这些竞争挑战。最新的希望被称为STT（自旋扭矩传递）MRAM。

也许四种新兴存储器（FRAM、RRAM、PCM 或 MRAM）中的一种将成为存储级存储器的圣杯。也许它会是其他一些存储技术。也许类似于《星际迷航》的等线性芯片，不管它们是什么。时间会证明一切。

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