业界普遍认为未来从数据中将能挖掘出最大的价值,但要挖掘数据的价值除了需要很强的计算能力之外,数据的存储也非常关键。目前,新型存储器也是领先的企业非常关注的一个方向。

摩尔定律渐失效,新式存储器接棒上战场

1965年问世的摩尔定律至今已超过50年,为全球电子产业写下无数里程碑历史,但走到今天,依据该定律所设计和生产的芯片在半导体最重视的四大标准 PPAC(功耗 Power、性能 Performance、面积 Area、成本 Cost)都逐渐递减。

很多物联网、云计算所需要的芯片,已是摩尔定律所无法提供的,这是为什么?

在“万物互联”和“工业 4．0 ”时代背景下,数据呈现爆炸式的增长。举个例子,我们一个人一天约产生 1GB 数据,但是当你要开一辆无人驾驶汽车,一天产生的数据量可能高达 4000GB ,相当于4千倍。

2019年是很关键的一年,机器产生的数据已经超过了人类所产生的数据,这是人类历史上第一次;预计到 2022 年,机器产生的数据可能会是人类产生数据的9倍之多。

未来世界运算的逻辑是,数据来自机器的搜集,包括车、智慧城市、智能家居等,所有产生的数据都要从终端、从边缘,通过各层传输、计算,然后再到云端、到大数据中心,再计算、再返回到终端。

在这短短的时间内,排山倒海的数据量涌入后,又要源源不绝地被计算、处理,以及再传输,是非常挑战芯片效能的,且现有的计算架构早已无法满足核心需求。

过去“摩尔定律”的时代,追求把晶体管做得越来越小,目标是每18个月～2年晶体管数增加一倍,但随着该定律的效应递减,从14nm到10 nm,可能要花上4年时间,从10nm 再往下走到7nm 、5nm,则需要更长的时间,试想英特尔10nm一直递延就可窥知一二。

新式存储器如何工作

磁性存储器是一个三层的结构,中间叫“隧道结”,是氧化镁,两边是两个磁性层,磁性层可以理解成两个磁铁,而这两个磁铁有南北极,如果南北极匹配的时候,电子就很容易通过去,电阻就是比较低的一个状态。

再者,上下两边的磁性层可以通过电流把上边变成和下边反平行,就是不匹配。而当不匹配时,电子就很难通过去,那它就是一个高电阻的状态。

所以,通过低电阻和高电阻,实现“0”和“1”的存储,实际上是一个基于电阻变化,通过磁性来实现高电阻、低电阻的原理的存储器技术。

PCRAM、ReRAM 原理类似,是通过电流或电压来控制。PCRAM 是以晶型来控制低电阻、高电阻。当全结晶时,就是一个低电阻的状态,当非晶型时,就是高电阻的状态,以此实现“0”和“1”。

ReRAM也类似,不导通的地方就是一个高电阻的,跟绝缘材料一样,而通电以后就可以实现导电通路,呈现一个低电阻的状态,所以跟MRAM类似,通过电阻高低来实现“0”和“1”。

简而言之,要实现这种新式存储器,就是要通过材料工程来实现这些存储器的基础,仍是有一些挑战要克服。

设备技术突破,规模化时代终于来临

针对大规模生产新式存储器,设备大厂的材料工程突破是关键。应用材料针对 MRAM 设计的 Endura Clover MRAM PVD 系统,可以在真空条件下执行多个工艺步骤,实行整个 MRAM 的 10 种材料,然后 30 多层一层一层地堆积,它的核心就是 Clover PVD,一个腔室最多可实现 5 种材料,然后在原子级别、亚原子级别上去实现一个薄膜的沉积。

之前提到 MRAM 中间有一个氧化镁层,应用材料表示,中间的氧化镁层非常关键,会影响整个 MRAM Device 性能,应用材料采用独特的技术来建立,使整个 MRAM 都实现低功耗、高耐用。

在 MRAM 制造过程中,需要在一个平台上实现超过 10 种材料、超过 30 层薄膜的堆积、沉积是非常复杂的。相较之下, PCRAM 和 ReRAM 没有那么多层,但它还是有很多层的结构,包括电极、选择器、存储器,里面的材料非常独特。

迎接“数据爆炸”时代,芯片急需高计算性能,偏偏遇上摩尔定律放缓的时代,而类脑芯片、量子计算距离实现又太远,新式存储技术在磨刀多年后,遇上设备材料实现突破,正好可以赶上万物互连、海量数据计算的时代,上战场打仗。

新式存储器大规模量产之际,正好遇上国内的 3D NAND 和 DRAM 两种传统存储器要加入国际竞争舞台一搏高下之时。虽然彼此应用领域、层面相异,但凑巧地,新旧技术同样走在历史转折的一页,互相见证全球科技产业铺成的轨迹。