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存储器的未来 研究晶体或…?

作者: Mark Cundle

如果有一种半导体领域被视为商品,那就是存储器。 当然,它是容纳最多列吋的区域。 DRAM 芯片的当前需求量最高,其平均售价的涨落通常作为整个半导体行业的主导。

市场和制造商

在商业方面,半导体市场目前每年收入大约可达 3000 亿美元,存储器芯片对 此做出了重大贡献,但是它每年的占有率极不稳定。 制造商立足市场的成本 很高,利润越来越微薄,只能在旺季才能赚取利润,或许,除非您恰好是市 场领导者。 在过去十年间,该行业的主要供应商数量(占据了 5% 以上的市 场占有率)明显减少,或者说我们已看到存储器供应商已在大势整合。 这种 情况首先出现在 DRAM 行业,在过去几年间,非易失存储器 (NVM) 的领先制 造商群体(多半为闪存供应商)中已改组。

过程、体系结构和互连

在技术方面,存储器芯片开发的主要挑战在于与微处理器提高的性能保持同 步并提供快速且和较低功耗的存储器。 存储器制造商的压力越来越大,以 改进体系架构并移至更小的工艺节点,虽然存储器一直在硅工艺开发的驱动 者。 领先 DRAM 制造商现在以 30nm 的规格节点开始生产,一些供应商更供 应 25nm的规格工程样本。 在 NAND 闪存中,闪存存储器最常见的类型用于 固态驱动器、USB 闪存驱动器和多媒体存储卡中的数据存储,领先的制造商 现在开始生产 64 位存储器,采用 20 到 30nm 的过程技术。

随着 3D 存储器技术日益重要,还需要创新型存储器架构和结构:在技术过程 阶段,DRAM 存储器单元采用 3D 结构设计,在硅压模阶段,使用 TSV(硅 片直通孔)互连进行 DRAM 压模堆叠,以满足高密度需求。 3D NAND 闪存 存储器(带垂直门结构)具有长寿命和高可靠性,前景很好,明年左右即可 实现。

另一个问题是下一代高吞吐互连标准的可能性。 2011 年初,JEDEC 宣布了 通用闪存 (UFS) 标准,设计成为最高级的规格,用于嵌入式和可拆卸基于闪 存的存储器存储。该标准特别为要求高性能和低功耗的移动应用和计算 系统而定制。

闪存 - 发展和替代?

当前,闪存市场正在经受强劲的增长,由智能手机消 费型设备(例如平板电脑和智能手机)中对快速、 低功耗存储器要求的日益增加而驱动。 来自 IHS iSuppli 分析师 2010 年的数据显示未来几年用于移 动应用的领先存储器技术将是 NAND 闪存。 预计到 2011 年,存储器总收入将占到移动产品的一半,接 下来是 DRAM,占到了市场份额的三分之一,NOR 闪存存储器位居第三。 补充说明一下,这不会降低 传统硬盘驱动器的地位,提供日益增长的高密度存储 功能,但预计不会很快出现在便携式计算、服务器或 移动消费型市场上。

虽然它不可能发生在不久的将来,但由于它不断发展 规模,闪存寿命仍长久,也许发生在现在存储器技术 中的一些最有趣的开发是可长期替代闪存,用于独立 和嵌入式应用。 与闪存相比,领先的竞争者具有多 个优势,例如 100 倍更快的读取/写入时间和明显更 长的周期寿命:

不同级别的电流应用到 PCM 中的玻璃类材料时,将 生成相变存储器 (PCM) 数据,从而更改晶体和非晶 质状态之间的材料物理结构。 因为电流可以可变级 别提供,PCM 允许每单元大于 1 位的数据存储。

铁电体随机存取存储器(FeRAM 或 FRAM) 与 DRAM 类似,允许在读写操作中随机存取 每个独立的位。 它具有一个使用铁电材料的 电池电容器,可以应用电场来极化材料。

磁阻式随机访问内存 (MRAM) 和第二代 MRAM, 称为 SST-MRAM(旋转传输扭矩 MRAM)使 用磁性存储元件。 该技术不仅可允许替代闪 存,还可替代 DRAM 和 SRAM 存储器。

电阻性 RAM (RRAM) 技术基于两种稳定电阻性 状态(低/高)之间的电阻元件材料的电子切换 (电流或感应电压)。 研究机构 IMEC 预计带 叠栅式结构的 RRAM 设备可以 11nm 的规格进 入市场。 它坚信闪存规模可发展为 20nm,带 SONOS(硅 - 氧化物 - 氮化物 - 氧化物 - 硅)闪 存,用作中间步长,采用 17nm 和 14nm 节点。

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