新兴存储器之技术动态探析

谈到存储器，许多人经常被众多的缩写词弄得一头雾水，难以理解各类存储器在技术本质上的差异，因此在正式说明新兴存储器之前，笔者将先提供一些基础说明。存储器的分类概念
先就概念部分来说明。存储器在应用范畴、用量规模等空间角度来看可分成2类，即主流与利基，如DDR2 SDRAM、GDD3 SDRAM等的用量、产量极大，运用也普及，因此属主流存储器；相对的，仅在些许领域使用或用量偏少的存储器则为利基存储器，如串列式EEPROM、NV SRAM等多只用在嵌入式应用，因此属于利基型。

再就时间角度看，也可分成2类：新兴存储器与过时存储器，新兴存储器例如FRAM、MRAM等，过时存储器则是过去存在，但之后被其他类型存储器所取代，进而走入历史的存储器，例如EPROM被EEPROM或Flash Memory所取代，或如磁环存储器（Magnetic core memory）被DRAM所取代，以及磁泡存储器（Bubble memory）被硬碟所取代等等。6种技术变化层次
接着是存储器技术变化层次的不同，笔者归纳分析后认为可以分成6个层次，储存原理的不同、储存结构的不同、存取结构的不同、制程技术的不同、模组设计的不同、以及模组构型的不同。

所谓「储存原理的不同」，即是从最根基的位元记忆方式就有差别，DRAM将位元值储存于电容内，而SRAM将位元资料存于电晶体内，或如FRAM使用铁电效应来储存位元，MRAM使用磁阻原理来储存位元。

再来是「储存结构的不同」，同样是运用电容来储存0、1的位元值，Z-RAM的作法就与DRAM不同，DRAM在晶圆电路设计时会为每个位元设置一个电容，但Z-RAM直接倚赖硅绝缘（Silicon on insulator；SOI）基板所造成的浮体效应（Floating body effect）来充当电容，虽然结构作法不同，但原理仍相同。

类似的，4T SRAM、6T SRAM、乃至8T SRAM，基本上都是将0、1资料存于电晶体内，只是构成每个记忆格（Cell）所用的电晶体数不同（T即指Transistor）。

进一步的是「存取结构的不同」，例如Sync SRAM与Async SRAM都是SRAM，只有最后在存取介面上的电路设计不同，或如PSRAM本质上是DRAM，但将存取介面改成相容于SRAM的介面，使电子工程师设计电路时更为便利。

另外从DDR SDRAM提升到DDR2 SDRAM，虽然存取结构与细微设计上有些不同，但主要的强化提升是来自于制程技术的改进，因此为「制程技术的不同」。类似的，GDDR3 SDRAM提升至GDDR4 SDRAM也类似此种改变。

前述4种都在于存储器颗粒（或称记忆晶片）内的不同，而最后2种差异在于记忆晶片外的记忆模组的不同，第1种属于模组设计的不同，如RDIMM（Registered Dual In-Line Memory Module）是在模组电路板上设置暂存器的缓冲存取设计，而UDIMM（Unregistered Dual In-Line Memory Module）则不设置缓冲。

或如FBDIMM/FB-DIMM来说，FB-DIMM是用1颗先进存储器缓冲（Advanced Memory Buffer；AMB）晶片将所有存储器的介面线路都进行缓冲处理，并将并列传输转换成串列传输，这些变化都属于模组电路板上的变化设计，已与记忆晶片本身无关。

最后是「模组构型的不同」，一般用于桌上型电脑的存储器模组为DIMM，为了将DIMM用于机内空间较小的笔记型电脑内，DIMM的外观及接脚配置被重新设计，改称为SODIMM/SO-DIMM（Small Outline DIMM，也称SO-DIMM），或为了放到刀锋伺服器内而改设计成低高度型态的VLP DIMM（Very Low Profile DIMM）。新兴的储存原理及结构
了解角度与层次的差异后，本文的重点将放在新兴存储器领域，而新兴存储器也因初露锋芒，多半无法立即成为主流存储器，多数仍为实验室内的实验品，少数已投入量产、商业销售者也多为利基之用，但未来不排除成为主流。

事实上，今日主流的SDRAM最初仅有工作站（Workstation）才使用，之后才逐渐普及至各类应用，同样的Flash也是从小容量的利基运用起步，直至数字相机、数字随身听兴起后才成为大宗。

除了新兴、利基之外，本文也将专注在最根基的2个层次：储存原理及储存结构，至于存取结构等之下的4个层次的新兴作法则暂不谈论。RRAM
RRAM也称ReRAM，全称Resistive RAM，中文译为电阻记忆体，投入RRAM研究的业者有Infineon、Sharp、Samsung、Fujitsu、Spansion、Macronix、Winbond等。

RRAM是使用强相关（Strongly Correlated）电子类的材料（如NiO、PCMO等），这类型的材料具备CER（Colossal Electroresistance）的特质效应，即是对材料施压电压脉冲后，材料的电阻阻值会发生剧烈改变，使材料成为高阻值；反之，若从另一个方向施加电压脉冲则会使材料转变成低阻值，运用阻值高、低的两种状态来储存位元资料。

由此可知RRAM是运用特有材料的效应来实现储存，不过目前研究人员尚未全面了解效应产生的箇中原因，只知效应的存在，并可做为储存记忆。除了RRAM之名外，使用相同材料与效应的研究还有Infineon的CBRAM及Samsung的OxRRAM，本质上也是RRAM，皆运用CER效应，但使用的材料则各有不同，如OxRRAM使用NiO，Spansion研发的RRAM则使用CuO2。

值得注意的是，同样是材料及效应，但结构上还有1R1T与1R1D之别，其中1R1D的尺寸只有1R1T的2/3，可以使记忆密度更提升。
在运用表现上，RRAM的存取速度与SRAM相近，且断电后资料仍可留存，记忆格密度上接近于NAND型Flash，读取时为非破坏性读取，可写入次数超过10的13次方次。不过RRAM技术尚未成熟，尚无任何业者将其正式量产、销售。PRAM
PRAM全称为Phase-change RAM，中文为相变记忆体，然其别称特别多，包括PCM（Phase-Change Memory）、PCRAM、OUM（Ovonics Unified Memory）、C-RAM或CRAM（Cahl-cogenide RAM）等。

PRAM是使用硫化物（Chalcogenide）、硫化合金等材料的相变特性来实现储存，运用电极的加热设计与材料周围的散热设计来进行控制，控制材料的晶相变化，使材料成为结晶相（crystalline）或非晶相（amorphous），结晶与非晶的不同状态也使材料的电阻阻值不同，如此即可储存0、1资讯。事实上CD-RW、DVD-RW等光碟也是使用与PRAM相同的材料才能够多次重复烧写。

在使用特性上，PRAM断电后资料仍可留存（非挥发性，大陆称为非易失性），再次写入前需要进行抹除程序，不过存取速度方面较不如FRAM、MRAM等其他新兴记忆体，然诸多特性仍比Flash理想，因此PRAM预计会积极发展成取代Flash的产品，包括存取快过Flash、功耗低于Flash、可写入次数高于Flash等，事实上Intel即有意在PRAM成熟后，用其来取代自家原有的NOR型Flash产品。

在投入业者方面，PRAM的投入业者相当多，不过主要专利多来自Intel、Ovonyx，且有多家业者是向Ovonyx取得技术授权后再投入自有后续研发，如Samsung、Nanochip、Elpida、ST、Qimonda、Hynix都向其授权，此外BAE、Micron、NXP、Sharp、Mitsubishi、Hitachi、DSI、Ritek、ITRI、Macronix、TSMC等也都有投入研究。虽然PRAM研究者众，但到目前为止都尚未有正式量产的商品。
　

图1 工研院于秋季电子展展示其研发的「相变化存储器」晶圆片。

FRAM
FRAM/F-RAM也称FeRAM，全称为Ferroelectric RAM，中文为铁电存储器，投入FRAM研究的业者主要有Fujitsu、Sony、Seiko-Epson、Ramtron、TI、Samsung、Matsushita、Oki、Hynix、Toshiba、Infineon、Hynix、Symetrix、Microtronix（昔为Cova Technologies）等。

FRAM是运用铁电材料（如PZT、SBT、BLT等）的铁电性（Ferroelectricity）、铁电效应（Ferroelectric Effect）来记忆资讯，一旦对铁电材料施加电场，即可用材料本身的迟滞特性来储存代表0或1的极化值，此外可施加较大的矫顽电场来清除极化值。

比较特别的是，虽然同样是运用铁电材料的特性，但却有2种结构作法，一是将铁电材料用于场效电晶体的闸极位置，另一则是用在DRAM结构中的电容位置，前者略称为1T（1个电晶体）结构，后者则称为1T1C（1个电晶体＋1个电容）结构，就储存密度而言，1T结构优于1T1C，即相同晶圆面积下1T能比1T1C拥有更多的储存位元。

此外，1T1C作法是用铁电材料来储存电容，透过电容电荷的有、无来表示0、1状态，不过每读取一次电容值之后储存状态也会受破坏，需要重新再写入才能维持资料，然而也只有在读取后才需要再次刷写，不似一般DRAM需要定时刷写，且FRAM断电后仍可持留资讯，DRAM则否，反之1T结构的FRAM没有破坏读取的问题，不需读后再次刷写。

虽然1T结构的FRAM在各种特性上都较1T1C结构的FRAM还要理想，不过就技术发展进度而言1T1C较成熟。另外，FRAM只要在既有标准CMOS制程中略做修改即可生产。

在商业化发展上，FRAM已有多家业者正式量产、运用，如Fujitsu、Ramtron等已推出独立封装的FRAM，而Sony与Seiko-Epson合作，将FRAM用于Smart Card中，或如Fujitsu将FRAM用于RFID Tag内，虽然FRAM已开始使用，但多属于小容量的嵌入式运用，属于利基型，尚未发展成主流。
　

图2 美国Ramtron公司的并列存取型FRAM：FM21L16。
记忆组织为128k x16（即256KB容量），存取速度60nS，工作电压为2.7～3.6V。

MRAM
MRAM全称为Magnetoresistive RAM，中文为磁阻记忆体/磁电阻存储器，IBM、NVE、Cypress、Infineon、Motorola/Freescale、TSMC、ITRI、NEC、Toshiba、Honeywell、Renesas、Sony等，Micron原先有投入但之后退出。

若说PRAM是运用与可重复烧写光碟相同的材料及特性来记忆，则MRAM则是运用与硬碟相同的磁性材料与硬碟读写头相同的巨磁效应（Giant magnetoresistance；GMR）特性来记忆。MRAM是透过电流流向的改变来改变磁性材料的磁性偏转，当偏转都朝一致方向时则视为1，反之若无一致方向则为0，磁向一致则侦测电流容易通过，反之则不容易通过，即是透过磁阻性来控制电阻性，以电阻性的高低来判别记忆内容是0还是1。

MRAM在记忆及存取特性的表现上，其读写速率快速，可写入次数极高（超过10的12次方次），资料保存也极耐久，且写入前不需要抹除，读取后也不用刷新，不过MRAM存取操作时较为耗电，每个位元记忆格的尺寸也较大，这些是其弱点。

不过最新消息指出，2007年8月19日IBM与TDK联手发展高密度的MRAM（也称spin torque transfer RAM；SST-RAM），虽然SST-RAM也运用磁阻原理，但与IBM过往与Infineon合作发展的MRAM採不同的作法，过往的作法在记忆格尺寸上已难以再缩小，而IBM与TDK期望新作法能在未来能将记忆密度提升20倍。然在此项合作前有一家硅谷公司Grandis也从事SST-RAM的研发。

在实际商品化方面，目前仅有Freescale（昔为Motorola）于2006年7月10月推出小容量、限量生产的MRAM，且以嵌入式车用为主诉求。
　

图3 工研院于秋季电子展展示其研发的「磁电阻式存储器」晶圆片。

NRAM
NRAM全称Nano-RAM，也称CNT Memory（奈米碳管存储器），CNT即Carbon Nanotube（奈米碳管），NRAM属于Nantero公司的独有技术。

NRAM的原理是在两个上端电极间设置若干条奈米碳管，而碳管下端亦有个较低洼的电极，若两个上端电极间仅施加低电压，则碳管会呈现紧拉状态，不会与下端的低洼电极接触，如此量测上端电极与下端电极间的电流，将没有电流流通。反过来，若两上端电极间施加高电压，碳管将会松弛而垂下，与下端电极触碰，如此再次量测上下端电极间的电流将有电流流通，如此碳管的松紧状态即可用来储存0、1资讯。

另外，NRAM的特性也相当理想，拥有SRAM般的存取速度、DRAM般的记忆密度、极高的再写入次数、相容于标准的CMOS制程等，且Nantero对NRAM的应用市场也有高度期望，不仅期望用NRAM来取代SRAM、DRAM等存储器，甚至期望用NRAM取代Flash及硬碟等储存性媒体。不过到目前为止NRAM都尚无商业化产量，倒是Nantero有与LSI Logic、BAE等业者合作，未来可能透过LSI Logic、BAE来投产。
　

图4 NRAM原理图，图右上端为碳管线路紧拉的状态，下端为线路松下的状态。

TTRAM、Z-RAM
TTRAM全称为Twin Transistor RAM，Z-RAM则为Zero capacitor RAM，前者由Renesas提出，后者由瑞士Innovative Silicon提出。

TTRAM与Z-RAM使用相同的原理，事实上也就是传统DRAM的原理：以电容电荷来储存0、1资讯，不过结构上异于传统DRAM，传统DRAM是在电路设计时刻意设计上用来储存电荷的电容，而TTRAM与Z-RAM则直接取用硅绝缘（SOI）制程所加入的绝缘基板的副效应来做充当电容。

所谓的副效应其实称为浮体效应（Floating body effect），是採行SOI制程后意外产生的效应，该效应是在上层电路与下层绝缘基板会产生电容效应，由于是意外产生，且对上层电路运作会产生不良影响，理应积极去除，然之后将心态转变，反而运用上层电路来控制该电容，如此即可实现储存。稍有不同的势，TTRAM将电容控制在2个电晶体之间，而Z-RAM是将电容控制在电晶体闸极的下方。

由于使用电容储存0、1资讯，因此与传统DRAM相同，电荷会随着时间逐渐消逝，所以TTRAM、Z-RAM等也需要刷新才能保持资讯。

在特性上，TTRAM与Z-RAM都有近SRAM的存取速度、以及胜过传统DRAM的记忆密度（原因是省去刻意设计的电容，直接取用浮体效应所产生的电容），且高度相容现有CMOS制程，而缺点则是一定要使用SOI制程。

虽然TTRAM与Z-RAM採行相同原理，但发展诉求却不尽相同，Renesas倾向自行量产独立封装的TTRAM颗粒，期望用TTRAM来取代传统DRAM，且密度竞赛上可胜过传统DRAM，而Z-RAM的业者Innovative Silicon属小型业者，以技术授权为主，获授权者多将技术用于嵌入式存储器，例如AMD已取得Innovative Silicon的授权，预计未来用Z-RAM做为后续新CPU的内部快取记忆体，即是用Z-RAM取代传统SRAM。
　

图5 图左为Z-RAM与传统DRAM的结构差异，其中电容部分暂去极大的体积。而图右与Z-RAM写入0、1资讯时的运作方式。

SONOS
在正式说明SONOS前必须先说明Flash的2种结构作法，一是浮动闸极（floating gate）结构，另一是电荷能陷储存（Charge-Trapping Flash；CTF）结构，SONOS（硅-氧-氮-氧-硅）即属于后者。

事实上，一直以来的主流运用结构为浮动闸极，但是随着制程尺寸不断缩小后，浮动闸极的厚度至45nm已近乎极限，难以再缩小，因此业界将焦点重新投注在过往较少用的CTF结构上，CTF结构有机会再缩小尺寸，但过往未大量采行的原因在于电荷记忆容易流失，而今业界期望以CTF结构为基础进行改善，使Flash有机会拥有更高的记忆密度。

对此，Macronix提出了BE-SONOS（Bandgap Engineered SONOS）结构，然就实际的叠层而言则为SONONOS结构；Samsung也提出TANOS（钽-氧化铝-氮化物-氧化物-硅）结构，Flash大厂Toshiba也有意从现有浮动闸极作法转向CTF/SONOS作法。

目前改善式的SONOS结构尚未正式量产成商品，但基础的SONOS亦有业者使用，如Cypress在其PSoC晶片上就有运用，而NXP（昔为Philips）也有团队在研究SONOS。
　

图6 Cypress的PSoC晶片内的Flash记忆体即採行SONOS结构。

新兴存储器的共同依归
新兴原理、新兴结构的存储器类型相当多，但归纳而言有多项共同依归，可以分为特性表现以及量产制造两个层面来探究：

■特性表现
1.存取速度要快
2.断电之后资料依然留存
3.存取功耗要低
4.读与写的速度要对称一致（因为Flash、EEPROM等写入慢、读取快）
5.写入前不需要抹除（抹除耗电且拖延存取速度）
6.不需要刷新（刷新容易阻碍效能）
7.可写入次数尽可能高
8.资料保存年限尽可能久

■量产制造
1.尽可能相容半导体业界最标准、低廉的CMOS制程（减少产制新兴存储器的调整服务）
2.减少倚赖特有制程（TTRAM、Z-RAM必须倚赖SOI制程，但未来SOI若普及运用则另当别论）3.记忆格尺寸要尽可能缩小（以利增加记忆密度及降低每单位记忆成本）

新兴存储器几乎都做到高速存取与断电后资料续存，原因在于最初的期望是能够用一种新存储器同时取代过往的SRAM/DRAM差异及RAM/ROM差异，因此即便新兴存储器都称为RAM但却都具备ROM的非挥发特质。

除了努力消弥SRAM/DRAM差异与RAM/ROM差异外，新兴存储器近年来也被赋予另一项新任务，即取代硬碟成为另一种储存媒体，包括Flash、PRAM等都锁定在此，因此新兴存储器即便消弥了前述的差异，也仍有2个取向可努力专精，一是Memory（取代传统存储器，高速取向），另一则是Storage（取代传统硬碟、光碟，高量取向）。

虽然新存储器皆有雄心壮志，但短时间不是还在实验室内琢磨，就是先从小容量的嵌入式运用、利基运用低调起步，之后随着技术消长和市场淘选，有些或将淡出，有些或许持续位处利基型应用，但是有些则会鲤鱼跃龙门，成为不可忽视的下一代主流存储器！