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各種新興記憶體比較

  • 林育中
現在各新興記憶體的發展各佔區位,MRAM在嵌入式的應用站穩位置,PCM和ReRAM則往SCM方向發展。SEMI Association

新興記憶體(emerging memory)現在多指的是新的非揮發性記憶體,最主要包括相變半導體(Phase Change Memory;PCM)、可變電阻式記憶體(Resistive RAM;ReRAM)以及MRAM。這些新興記憶體目前都在競爭儲存級記憶體(Storage Class Memory;SCM)的核心位置。

有許多比較各種新興記憶體的基準指標,包括寫入速度、功耗、耐久性、資料保存期限、可擴展性(scalability)等。但新興記憶體的材料、結構、甚至工作機制,都還在快速進展之中,單看這些數據並不能有較遠的能見度。我學物理,喜歡從基礎工作機制看起。

PCM利用硫化物(chalcogenide)-特別是Ge2Sb2Te5(GST) -的特性,加高溫讓它變成晶體(crystalline)或非晶(amorphous)狀態-兩種相。晶體相導電性高,通常代表狀態「1」;非晶相導電性低,通常代表狀態「0」。由於在常溫下這兩種相都是穩定的,就可以當非揮發性記憶體。PCM也有用雷射來轉換物質相態的方法。

ReRAM則是用過渡金屬氧化物(Transition Metal Oxide;TMD)薄膜,譬如HfO2-這可是咱們工研院開發完成的技術,當成記憶單元。當氧化物上下的電極施加偏壓超過臨界值時,氧化物中的氧就會變成空隙(vacancy),氧離子和此空隙就可以像電子和電洞自由移動,形成高導電態。而這高、低導電態,就可以形成「1」與「0」。ReRAM的材料衆多,性能有可能再提高。

MRAM則是由磁穿墜結(Magnetic Tunnel Junction;MTJ)當記憶單元,此MTJ由二鐵磁層:一自由層、一固定層,中間夾一層薄氧化層所形成,像三明治。當此二鐵磁層的磁化方向相同,是低電阻態,代表「1」 ;此二鐵磁層的磁化方向相反,是高電阻態,代表「0」。自由層的磁化方向可以由被極化的電流由所攜帶的自旋流(spin current)所翻轉,這就是所謂的自旋轉矩移轉(Spin Torque Transfer;STT)。這個翻轉磁矩的機制還在改進之中。

以前MRAM常被詬病的是其所需寫入電流大、功耗大、寫入速度慢。這個刻板印象可以試著從基礎機制來判別。PCM和ReRAM的狀態改變都牽涉到原子鍵結的斷裂以及原子的重新排列,而MRAM的狀態改變僅牽涉到原子中外層電子的自旋方向翻轉,二者所需的能量有數量級的差別。

那麼為什麼以前MRAM需要那麼高的寫入電流?第一代的MRAM翻轉磁矩用的方法是在導線上通過電流以產生磁場,以此磁場翻轉磁矩。但是因為只有一小部份的磁場被真正用於翻轉磁矩,效率不彰,所以能耗很大。現在的STT讓電流的自旋直接通過鐵磁層,直接作用效率高多了。

目前用於替代L3 cache的嵌入式MRAM,寫入電流降至數十uA,寫入速度10ns,已經可以滿足需求了。但用STT機制來翻轉磁矩,因為電子質量輕,轉矩還是小。現在研究發展中的自旋軌域轉矩(Spin Orbit Torque;SOT)產生力矩的是原子,原子較電子重多了,產生的力矩大,實驗證據顯示效率還可以有數量級的改進。

PCM與ReRAM還有一個隱憂。由於改變記憶體狀態牽涉到原子鍵結的斷裂以及重組,每寫一次,材料就受一次摧殘,所以耐久性的表現略遜。

現在各新興記憶體的發展各佔區位,MRAM在嵌入式的應用站穩位置,PCM和ReRAM則往SCM方向發展,ASML的SCM技術路標上的兩個競爭者就是PCM和ReRAM,雖然現在ReRAM的實際容量還小。但是未來真正的決勝點,我認為是哪一種新興記憶體能做到真正的3D製程,而不是cross-point,這樣才有可能在價格上與3D NAND競爭,但這是後話了。

現為DIGITIMES顧問,1988年獲物理學博士學位,任教於中央大學,後轉往科技產業發展。曾任茂德科技董事及副總、普天茂德科技總經理、康帝科技總經理等職位。曾於 Taiwan Semicon 任諮詢委員,主持黃光論壇。2001~2002 獲選為台灣半導體產業協會監事、監事長。現在於台大物理系訪問研究,主要研究領域為自旋電子學相關物質及機制的基礎研究。