【导读】近期台积电技术长孙元成在其自家技术论坛中，首次揭露台积电研发多年的eMRAM（嵌入式磁阻式随机存取存储）和eRRAM(嵌入式电阻式存储器)将分别订于明后年进行风险性试产。预计试产主要采用22nm工艺。这种次世代存储将能够为物联网、行动装置、高速运算电脑和智能汽车等四领域所提供效能更快和耗电更低的存储效能。台积电此举让嵌入式存储器再度回到人们的视线中。本文将为你阐述嵌入式存储器的前世今生。
何为嵌入式存储器
随着信息技术的发展，嵌入式存储器在SOC中的面积所占比重也在逐年增加，从图一可以看出，从1999年平均的20%上升到2007年的60-70%乃至2014年的90%的面积。可以看出，嵌入式存储器对于芯片系统性能的影响越来越大。
图一 嵌入式存储器在SOC中所占芯片面积的比重。
图二 MPU于DRAM随时代变迁而发展的关系图
同时片内存储器具有灵活简单的接口、更低延迟和更宽总线，更为重要的是还能节省系统的空间大小，使得它日益受到集成电路设计师的青睐。在这一时期嵌入式存储器主要以SRAM和DRAM两种形式呈现。
到了九十年代中期，Intel做了一项重大创新，将片外高速缓冲器（Cache）集成到了片内。这直接导致当时一大批分立的片外高速缓冲存储器厂商倒闭，成为嵌入式存储器代替分立式存储器的标志性事件。
到了今天一颗手机处理器超过90%的面积由各种嵌入式SRAM如寄存器堆，一二级缓存甚至三级缓存组成，嵌入式SRAM也成为晶圆代工厂的工艺技术衡量指标。由于SRAM由六个晶体管组成，而DRAM只有一个晶体管加一个电容组成，具有面积优势，当时很多厂商其实都在思考将DRAM嵌入到系统的可能性。
九十年代，当时IBM，Toshiba等大公司都在尝试开发嵌入式DRAM。但开发并不顺利，开发的难点在于DRAM工艺与常规逻辑工艺差异很大，工艺的整合难度相当大。虽然到今天，随着工艺的进步，使得一些公司像TSMC也在重新审视eDRAM的可行性，并有部分成果，但是主流的设计还是没有将eDRAM纳入必备选项。
后来随着消费类电子大幅成长，不断扩大的存储需求刺激着嵌入式闪存（eFlash）不断发展。从早期，设计人员将程序简单固化在ROM中，到后来的OTP，EEPROM乃至现在很火的高密度eFlash内存。嵌入式内存能够有效存储代码和数据，而且掉电后还不丢失，对很多应用都有重要意义。
然而走到今天，现有存储技术暴露的一些缺陷，比如SRAM、DRAM的问题在于其易失性，断电后信息会丢失且易受电磁辐射干扰，这一缺陷极大限制了其在国防航空航天等一系列关键高科技领域的应用。而FLASH、EEPROM的写入速度慢，且写入算法比较复杂，无法满足实时处理系统中高速、高可靠性写入的要求，且功耗较高，无法满足嵌入式应用的低功耗要求。
图三 FRAM结构剖面图
（2）磁性存储器（MRAM）
MRAM是利用材料的磁场随磁场的作用而改变的原理所制成。利用磁存储单元磁性隧道结(MTJ)的隧穿磁电阻效应来进行存储。
如下图四所示，MTJ有三层，最上层为自由层，中间是隧道结，下面是固定层。自由层的磁场极化方向是可以改变的，而固定层的磁场方向固定不变。当自由层与固定层的磁场平行时，存储单元呈现低阻态；当磁场方向相反时，存储单元呈现高阻态。MRAM通过检测存储单元电阻的高低，来判断所存数据是0还是1。
图四 MJT结构示意图
（3）相变存储器(PRAM)
PRAM的存储原理是利用某些薄膜合金的结构结构相变存储0和1的信息。通常这些合金具有两种稳定状态：具有低电阻的多晶状态和具有高电阻的无定形状态。PRAM应用硫系玻璃材料，利用硫族材料的电致相变特性，其在晶体和非晶体状态呈现不同的电阻特性。当被加热时呈晶体状，为1状态；当冷却为非晶体时，为0状态。通过改变流过该晶体的电流就可以实现这两种状态的转换。
图五 相变存储材料
（4）阻变式存储器(RRAM)
RRAM的原理是通过特定的薄膜材料的电阻值在不同电压下呈现的电阻值不同来区分0和1的值。RRAM的存储单元具有简单的金属/阻变存储层/金属(MIM)三明治结构如图六所示。
图六 RRAM器件结构图
表一 几种存储器性能对比
新型存储器挑战
FRAM目前作为新型存储器的主要问题是铁电薄膜材料。未来发展需要解决的主要难题：一是采用3D结构缩小单元面积提高集成度；二是提高铁电薄膜特性。
RRAM还是一项前沿的研究课题，目前还主要停留在实验室阶段。未来材料的寻找仍然是RRAM面临的主要问题。
而台积电未来选择先生产的MRAM和PRAM也会遇到挑战。MRAM的主要问题在于其高昂的制造成本。其次MRAM依靠磁性存储材料，磁场会对周围的芯片产生怎样的影响需要仔细考虑。
而PRAM的最大问题是成本和容量。目前PRAM的单位容量成本还是比NAND高不少。发热对于PRAM而言是个大问题，由于PRAM需要加热电阻式材料发生相变，随着工艺越来月先进，单元变得越来越精细，对于加热元件的控制要求也将越来越高，那发热带来的影响也将加大。发热和耗电可能会制约PRAM的进一步发展。
嵌入式存储器未来
嵌入式存储器具有大容量集成的优势，是SOC的重要组成部分，具有重要的创新性和实用性。何种嵌入式存储器将取得最终的成功，取决于多方面的因素：能否与标准CMOS 工艺兼容，在不断增加复杂性的工艺步骤的基础上，实现大容量的片上集成，从而提高其性价比；能否随着工艺的发展缩小尺寸，解决超深亚微米工艺的延续性和扩展性问题，这是所有采用电容结构存储信息的存储器面对的共同挑战；能否满足片上其他高速逻辑的带宽需要，构成带宽均衡、稳定简洁的集成系统；准确的市场定位，保持量产。
总而言之每项技术的发展都有其机会与挑战。而无惧挑战勇于创新的企业最终将赢得市场。
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