可變電阻式存儲器(ReRAM)一度被視為可取代DRAM、快閃存儲器、SRAM的新一代存儲器替代技術,不過現在ReRAM卻找到另一條出路,進攻介於DRAM與儲存等級存儲器的利基市場。而這塊利基市場究竟成長空間有多大,未來是否有其他公司持新式技術入場,都仍有待觀察。

ReRAM屬於非揮發性存儲器,在2009年開始由Unity Semiconductor帶動市場注意。而2012年Rambus收購Unity Semiconductor後,ReRAM遂與鐵電隨機存取存儲器(Ferroelectric RAM;FeRAM)、磁阻存儲器(Magneto Resistive RAM;M-RAM)等新式技術,共同角逐新一代存儲器技術市場。

ReRAM也曾被視作2D NAND、NOR快閃存儲器等存儲器類型的可能替代方案。自此,許多公司相繼加入ReRAM事業。ReRAM如此令人振奮,主要是因為其他存儲器方案都有特定使用範圍。快取存儲器目前有DRAM,而NAND Flash的存取速度較慢,此外,亦有高效能資料儲存存儲器(Storage-Class Memory;SCM),可望對電腦運算效能造成巨大影響。

替代存儲器類型主要透過雙穩定材料作為儲存裝置的可變式電阻原料,像是Rambus目前正研發多重金屬氧化層架構,只要注射離子到材料內就會改變電阻。

Crossbar則利用懸吊於非結晶態矽交換介質的銀原子,在寫入電壓之下,原子會從頂部電極遷移到交換介質,形成直徑3納米、導性佳的金屬絲,創造很大的開關電流比(On/Off Ratio)。Crossbar已發表7納米存取存儲器單位(cell)的研究報告。

除此之外,許多人也討論相變化材料的可能性。半導體產業對於溫度變化型解決方案並不陌生,像是熱輔助磁記錄(Heat Assisted Magnetic Recording;HAMR)、近晶相(smectic)液晶顯示器(LCD)。

但溫度解決方案的挑戰在於熱會傳導,所以鄰近元件易有串音(crosstalk)現象,且工作週期(duty cycle)部分會有直流電加熱問題。

因此,多數廠商選擇不用相變化材料,不過,英特爾(Intel)、美光(Micron)仍致力利用相變化材料做出突破,主要是因為相變化裝置的物理現象較為成熟。最後,溫度問題可能使相變化材料僅能用於低頻寬、高功耗裝置。

而材料選擇之外,存儲器交叉(crossbar)架構也是選項之一,交叉式架構提供更高的密度與單位元存取,最常被採用的是與DRAM相似的一個電晶體搭配一個儲存芯片的架構,尤其是嵌入式存儲器領域,讓整合更加容易、也提供更佳的存取時間。不過,交叉式架構受限於每區塊的尺寸。

而3D堆疊架構也是另一種選擇,也就是打造多層交叉式架構,不過,每一層都需要引入微影(lithography)技術。3D NAND可望讓快閃存儲器延續5~6年製程發展,接下來就會是新式存儲器發展的機會。

儲存方案以字串(strings)形式架構呈現的代價,就是不再有單位元存取,因此存儲器反而速度變緩。不同的存取時間與成本結構可能受單位元(bit)、位元組(bytes)、多重位元組(multi-byte)等架構影響。

英特爾與美光在2015年夏天合作揭露128Gbit芯片“3D XPoint”,呈現相當程度的技術進展,象徵著成熟的製程與缺陷控制水準。

美國專利商標局(US Patent and Trade Office)資料紀錄顯示,美光在2012年申請存儲器交叉架構金屬硫化物(metal chalcogenide)相變化系統,意味著3D XPoint很可能是改善的相變化系統。

而英特爾宣布交叉式架構比NAND快閃存儲器快上1,000倍,密度也比DRAM大上10倍,日本Panasonic也提供氧化鉭為基礎的ReRam快閃存儲器。

Rambus在2012年以3,300萬美元買下Unity Semiconductor的ReRam IP,且將專利授權出去。Unity Semiconductor創造逾2,200萬美元利潤以及145個專利。

Rambus也正與Tezzaron等授權對象合夥,打造嵌入式快閃存儲器產品。這些存儲器專利授權的焦點在於架構與材料,而研究指出,這些材料以金屬氧化物為主。

存儲器新創公司Crossbar在9月14日宣布完成3,500萬美元D輪融資,總募資額達8,500萬美元。Crossbar預計用這些資本,持續擴大自家最新非揮發性存儲器技術的商業產能。Crossbar在2014年國際電子元件會議(IEDM)發表一成功實現於4Mbit整合3D堆疊式被動交叉陣列的裝置架構。

由上可知,目前存儲器競爭廠商間主要差異在於儲存材料選擇,而材料則會影響功耗、存取時間、讀寫循環、存儲器尺寸。而這競爭得口袋夠深才玩得下去。
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