在商標中使用“crosspoint”一詞可能會造成混淆

，因為這些存儲器中的任何一個都可以配置為crosspoint存儲器。它有一個由字線（word lines）和位線（bit lines）相互正交的簡單陣列-與SRAM類似
，但不類似於閃存。當某些人提到crosspoint存儲器時
，他們專門指的是英特爾產品。其他人則更廣泛地使用該術語。

 

下一代技術（也是最先進的一種存儲技術）是磁性隨機存儲器（MRAM）。我們在這裏的重點將是當前的MRAM技術
，稱為自旋轉移矩技術存儲器（STT-MRAM）。這涉及夾在隧道材料之間的兩個可磁化層
，稱為磁性隧道結（MTJ）。其中一層（“固定”或“參考”層）具有固定的極性，另一層（“自由”層）的極性可以通過流過存儲單元的電流來設置。隧穿電流看到的電阻取決於固定層和自由層是否具有平行或反平行磁化。 MRAM已經以各種形式出現了一段時間。

 

 

圖2：MRAM存儲單元。圖片來源：Cyferz 維基百科（公共領域）

 

最後，還有阻式存儲器（RRAM/ReRAM），由於它們都是阻性技術，其名稱可能會造成混淆。 RRAM有兩種主要的類型-一種是電極中的材料遷移以在整個電介質上形成導電絲，另一種是氧離子和空位四處遷移以形成導電通路（或不形成）。這是一個更加完全開放的類別，需要通過大量實驗來找到最佳配方。

 

PDF Solutions（這家公司雖然不是一家存儲器供應商，但可以幫助供應商進行技術鑒定和評估，為他們揭露許多必須解決的低級別問題）高級研究員Tomasz Brozek說：“RRAM吸引人的地方是
，存儲單元可選用的材料很豐富。”

 

圖3：概念性RRAM存儲單元狀態。資料來源：Adesto

 

所有這些技術的挑戰之一是編程機製具有一定的內在隨機性
，而閃存或DRAM中(zhong)沒(mei)有(you)這(zhe)種(zhong)隨(sui)機(ji)性(xing)。將(jiang)值(zhi)寫(xie)入(ru)存(cun)儲(chu)單(dan)元(yuan)可(ke)能(neng)會(hui)導(dao)致(zhi)錯(cuo)誤(wu)的(de)值(zhi)。這(zhe)不(bu)是(shi)存(cun)儲(chu)單(dan)元(yuan)本(ben)身(shen)的(de)錯(cuo)。它(ta)可(ke)能(neng)會(hui)在(zai)下(xia)一(yi)次(ci)完(wan)美(mei)編(bian)程(cheng)。這(zhe)是(shi)必(bi)須(xu)通(tong)過(guo)糾(jiu)錯(cuo)碼(ma)（ECC）之類的伴隨電路來緩解的問題。

 

Nantero還提供了一種更新的NVM技術，稱為NRAM。這是用碳納米管製成的（CNTs – NRAM中的N是“ 納米管”）。可編程的碳納米管（CNTs）形成鬆散的，無方向性的團塊
，利用溫度（通過電流）或(huo)靜(jing)電(dian)，它(ta)們(men)可(ke)以(yi)越(yue)過(guo)範(fan)德(de)華(hua)極(ji)限(xian)而(er)使(shi)這(zhe)些(xie)碳(tan)納(na)米(mi)管(guan)緊(jin)密(mi)結(jie)合(he)在(zai)一(yi)起(qi)或(huo)分(fen)離(li)得(de)更(geng)遠(yuan)
，從(cong)而(er)使(shi)它(ta)們(men)在(zai)一(yi)側(ce)相(xiang)互(hu)吸(xi)引(yin)或(huo)在(zai)另(ling)一(yi)側(ce)互(hu)相(xiang)排(pai)斥(chi)。這(zhe)使(shi)編(bian)程(cheng)狀(zhuang)態(tai)穩(wen)定(ding)。在(zai)堆(dui)積(ji)在(zai)一(yi)起(qi)的(de)狀(zhuang)態(tai)下(xia)，碳(tan)納(na)米(mi)管(guan)相(xiang)互(hu)接(jie)觸(chu)並(bing)導(dao)電(dian)。而(er)在(zai)分(fen)離(li)狀(zhuang)態(tai)下(xia)，它(ta)們(men)不(bu)會(hui)如(ru)此(ci)。因(yin)此(ci)，電(dian)阻(zu)再(zai)次(ci)成(cheng)為(wei)要(yao)讀(du)取(qu)的(de)參(can)數(shu)。

 

 

圖 4: NRAM 存儲單元. 資料來源: Nantero

 

由於這些技術都是新技術，因此它們沒有麵臨閃存已經具有的多級存儲單元的挑戰。無論是打開還是關閉，每個單元仍然代表一個位（bit）。多級存儲單元還允許使用中間值，例如，一個四級單元可以存儲兩位數據。最近，無論是閃存還是RRAM（都已嚐試使用其他方法），都已將其應用到極致
，並將它們用作模擬存儲器
，並且在單元中進行幾乎是連續的編程。這對於使用所謂的“內存中計算”的機器學習應用程序是有益的。

 

由於多級和模擬用途需要更高的編程和讀取精度，因此，Brozek說：“越來越多的存儲器正在使用寫入驗證”。這種方法嚐試寫入內存，然後退回並讀取，重複進行直到達到所需的級別。這會花費更長的時間，但會給出更精確的結果。

 

這些存儲器中的每一個都可以製成專用的大容量芯片，也可以嵌入到SoC或MCU中。作為大容量芯片，可以量身定製該工藝

，以實現最高的良率和可靠性。但是，當嵌入時
，它們必須盡可能與底層CMOS技術保持一致，從而使其每比特成本更高，但仍要求高可靠性。英特爾的Optane是大容量存儲器；尚不清楚該技術是否適合嵌入。 Brozek和Handy都將MRAM與NOR-flash作為嵌入式存儲器進行競爭。 RRAM是Adesto提供的一種大容量技術，而作為嵌入式技術也引起了廣泛的興趣。

 

NVM可靠性方麵的考慮

 

作為NVM，除了考慮適用於所有集成電路外
，所有這些技術均要與閃存共同考慮可靠性。數據的保留和耐用性尤其重要。對於諸如DRAM和SRAM這樣的易失性存儲器
，這兩個都不是問題。具有諷刺意味的是
，對於DRAM而言，這不是問題，是因為其數據保留時間如此之短，以至刷新電路是DRAM的基本要求
，因此隻要保持電源就不會造成數據丟失。通常
，在這些新的NVM技術中，刷新被認為是不可取的（盡管有可能）。

 

數據保留率是一種規範，它指示存儲器在所有條件下（存儲或操作）將(jiang)保(bao)持(chi)其(qi)內(nei)容(rong)多(duo)長(chang)時(shi)間(jian)。借(jie)助(zhu)閃(shan)存(cun)技(ji)術(shu)，薄(bo)的(de)電(dian)介(jie)質(zhi)可(ke)以(yi)在(zai)讀(du)寫(xie)條(tiao)件(jian)下(xia)將(jiang)電(dian)子(zi)傳(chuan)遞(di)到(dao)浮(fu)柵(zha)中(zhong)。從(cong)理(li)論(lun)上(shang)講(jiang)

，這(zhe)些(xie)電(dian)子(zi)然(ran)後(hou)被(bei)困(kun)在(zai)浮(fu)柵(zha)中(zhong)
，沒(mei)有(you)明(ming)顯(xian)的(de)方(fang)式(shi)泄(xie)漏(lou)出(chu)來(lai)。但(dan)是(shi)
，隨(sui)機(ji)電(dian)子(zi)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)超(chao)過(guo)能(neng)量(liang)勢(shi)壘(lei)的(de)熱(re)能(neng)或(huo)通(tong)過(guo)電(dian)介(jie)質(zhi)隧(sui)穿(chuan)而(er)緩(huan)慢(man)泄(xie)漏(lou)。如(ru)果(guo)有(you)足(zu)夠(gou)的(de)時(shi)間(jian)，足(zu)夠(gou)多(duo)的(de)電(dian)子(zi)會(hui)泄(xie)漏(lou)出(chu)去(qu)，從(cong)而(er)使(shi)存(cun)儲(chu)單(dan)元(yuan)狀(zhuang)態(tai)退(tui)化(hua)。

 

每種NVM技術（新技術也不例外）都(dou)有(you)一(yi)種(zhong)逐(zhu)漸(jian)泄(xie)漏(lou)數(shu)據(ju)的(de)方(fang)式(shi)。因(yin)此(ci)

，數(shu)據(ju)保(bao)留(liu)率(lv)成(cheng)為(wei)存(cun)儲(chu)器(qi)將(jiang)保(bao)留(liu)其(qi)內(nei)容(rong)一(yi)段(duan)時(shi)間(jian)的(de)保(bao)證(zheng)。此(ci)後(hou)，它(ta)的(de)內(nei)容(rong)可(ke)能(neng)還(hai)會(hui)保(bao)留(liu)更(geng)長(chang)時(shi)間(jian)
，但(dan)不(bu)能(neng)保(bao)證(zheng)。十(shi)年(nian)一(yi)直(zhi)是(shi)閃(shan)存(cun)的(de)典(dian)型(xing)規(gui)格(ge)
，盡(jin)管(guan)考(kao)慮(lv)到(dao)汽(qi)車(che)的(de)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)長(chang)


，汽(qi)車(che)應(ying)用(yong)正(zheng)在(zai)逐(zhu)步(bu)淘(tao)汰(tai)該(gai)要(yao)求(qiu)。

 

數據保留率與其他基本的NVM規範耐久性有關。每次對NVM進jin行xing編bian程cheng時shi，可ke能neng會hui發fa生sheng一yi些xie輕qing微wei的de損sun壞huai。在zai閃shan存cun中zhong
，這zhe是shi由you於yu電dian子zi嵌qian入ru到dao將jiang浮fu柵zha與yu電dian路lu其qi餘yu部bu分fen分fen開kai的de電dian介jie質zhi中zhong而er導dao致zhi的de。也ye可ke能neng會hui出chu現xian加jia速su電dian子zi從cong浮fu柵zha泄xie漏lou的de缺que陷xian。耐nai久jiu性xing是shi指zhi在zai數shu據ju保bao留liu率lv低di於yu規gui格ge之zhi前qian存cun儲chu器qi可ke被bei編bian程cheng的de次ci數shu。

 

從理論上講，可以對給定器件進行超出其耐久性的編程

，它可能會繼續運行-但數據保留時間較短。但是，某些器件可能會計算編程周期，並阻止超出限製的編程。多年來，10,000個周期是閃存預期達到的極限。如今
，越來越多的存儲器指定了100,000個周期的標準。

 

這zhe些xie特te性xing需xu要yao減jian輕qing存cun儲chu器qi外wai部bu的de影ying響xiang，以yi便bian最zui大da程cheng度du地di延yan長chang給gei定ding芯xin片pian的de壽shou命ming。例li如ru，如ru果guo數shu據ju集ji中zhong在zai存cun儲chu器qi的de下xia半ban部bu分fen，則ze這zhe些xie單dan元yuan可ke能neng會hui耗hao盡jin
，而er存cun儲chu器qi的de上shang半ban部bu分fen基ji本ben上shang保bao持chi不bu變bian。那na是shi對dui存cun儲chu單dan元yuan的de低di效xiao使shi用yong。損sun耗hao均jun衡heng是shi一yi種zhong在zai存cun儲chu器qi外wai部bu施shi加jia的de技ji術shu，它ta可ke以yi移yi動dong數shu據ju的de位wei置zhi以yi確que保bao使shi用yong整zheng個ge存cun儲chu器qi
，從cong而er延yan長chang了le芯xin片pian的de壽shou命ming。

 

但是損耗均衡不是萬能，Brozek指出
，“你可以將損耗均衡用於大容量存儲，但不能用於[嵌入式]MCU NVM”，因為它主要用於存儲代碼

，該代碼必須位於已知的固定位置。

 

所有這些考慮因素將適用於任何新的NVM技ji術shu。在zai大da多duo數shu情qing況kuang下xia，它ta們men必bi須xu滿man足zu閃shan存cun運yun行xing的de級ji別bie，並bing且qie如ru果guo可ke能neng的de話hua，需xu要yao超chao過guo它ta們men。如ru果guo將jiang耐nai久jiu性xing提ti高gao了le多duo個ge數shu量liang級ji，則ze不bu再zai需xu要yao進jin行xing損sun耗hao均jun衡heng，盡jin管guan該gai決jue定ding不bu在zai存cun儲chu器qi製zhi造zao商shang的de手shou中zhong
，而er在zai係xi統tong設she計ji者zhe的de控kong製zhi之zhi下xia。

 

當考慮可靠性時，Brozek說： “所(suo)有(you)這(zhe)些(xie)技(ji)術(shu)都(dou)是(shi)不(bu)理(li)想(xiang)的(de)，您(nin)要(yao)對(dui)它(ta)們(men)進(jin)行(xing)表(biao)征(zheng)，並(bing)添(tian)加(jia)電(dian)路(lu)級(ji)工(gong)具(ju)來(lai)對(dui)其(qi)進(jin)行(xing)管(guan)理(li)。一(yi)旦(dan)采(cai)取(qu)了(le)緩(huan)解(jie)措(cuo)施(shi)，就(jiu)應(ying)該(gai)有(you)一(yi)個(ge)抵(di)消(xiao)其(qi)內(nei)在(zai)問(wen)題(ti)的(de)黑(hei)匣(xia)子(zi)。”

 

溫度等級

 

溫wen度du越yue高gao
，任ren何he磨mo損sun機ji製zhi都dou將jiang越yue明ming顯xian。數shu據ju保bao留liu和he耐nai久jiu性xing規gui格ge假jia定ding高gao溫wen是shi恒heng定ding的de
，這zhe意yi味wei著zhe偶ou爾er出chu現xian高gao溫wen且qie有you間jian歇xie期qi的de器qi件jian可ke能neng持chi續xu時shi間jian會hui更geng長chang。但dan是shi
，沒mei有you實shi際ji的de方fang法fa來lai指zhi定ding這zhe種zhong變bian化hua的de溫wen度du曲qu線xian，因yin此ci數shu據ju表biao指zhi定ding了le最zui壞huai的de情qing況kuang。

 

但是“高溫”是什麼意思？多年來
，有兩種級別的集成電路：商業級的溫度範圍為0至70°C
；軍事級的溫度範圍為-55 – 125°C。zhedaibiaolelianggejieranbutongdeyewu

，yinweijunyongjicailiaojuyoujiqiyangedeyaoqiu。yinci

，yixiegongsihuobumenxuanzezhuanzhuyuqizhongyixianghuoduoxiangyewu。zaimouzhongchengdushang
，yechuxianlegongyejiwendufanweiwei-40 – 85°C的產品。盡管工業級產品的生產不像軍用級產品那樣困難，但它們仍傾向於將其應用領域與使用商業級IC的設備區分開來。

 

suizheqicheshichangdechuxian，zhezhongqingkuangfashenglebianhua，keyishuotaxuyaoyishangyeshuipingdejiagehuodejunshishuipingdejianguxing。raner，shijishang，bingfeicheliangzhongdesuoyouzujiandoubixuzaifadongjifujindewenduxiayunxing。yinci，muqianzaiqicheneishiyongwugewendudengji。zheshiyigegenbenxingdebianhua，yinweisuoyouzhexiedengjidoukeyizaitongyishebeizhongzhaodao。

 

圖5：汽車溫度等級。溫度是環境溫度。數字來源：AEC Q100標準

 

KLA產品市場經理Meng Zhu表示：“由於電子的熱能變化，溫度通常是影響電子器件的重要因素。”對於諸如MCU或高速緩存之類的MRAM應用，通常要求工作溫度範圍在-40°C至125°C之間。較高的環境溫度可能會由於各向異性勢壘上方的磁躍遷而導致數據保留問題，並會由於隧穿磁阻（TMR）的降低而影響器件的可讀性。用於MRAM製造的所有熱處理工藝也都需要得到良好控製。退火工藝步驟用於改善MgO / CoFeB層的結晶度
，從而增強各向異性和TMR。另一方麵，過多的熱預算會導致MRAM層之間的原子相互擴散，降低器件性能。例如，Ta擴散進入MgO勢壘中可能會降低MgO的結晶度，而B擴散到CoFeB外可能會改變垂直各向異性並影響TMR。”

 

一個令人驚訝的溫度考慮因素是回流焊接。正如GlobalFoundries嵌入式存儲器高級總監Martin Mason所描述的那樣，每個芯片都應能夠承受五種不同的回流焊接。前兩種發生在最初將芯片安裝在板上時–一yi個ge用yong於yu表biao麵mian安an裝zhuang，另ling一yi個ge用yong於yu同tong一yi板ban上shang的de通tong孔kong組zu件jian。如ru果guo需xu要yao返fan工gong，那na麼me將jiang有you一yi個ge以yi上shang的de設she備bei來lai移yi除chu任ren何he有you故gu障zhang的de單dan元yuan，然ran後hou最zui多duo有you兩liang個ge來lai更geng換huan那na些xie單dan元yuan。

 

每個焊接周期都需要將溫度升高到220至270°C並持續10至15分鍾，據Adesto創始人兼存儲器工程副總裁Shane Hollmer所說：“這些技術中的許多技術都在熱穩定性和數據保留方麵作了努力。”這對於那些在芯片測試中編寫程序，之後組裝到電路板上的設備來說是個問題。

 

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