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當(dāng)前計(jì)算架構(gòu)的演變、制造工藝的進(jìn)步已經(jīng)很難推動芯片計(jì)算速度的發(fā)展，各種新型應(yīng)用帶來的數(shù)據(jù)爆炸導(dǎo)致數(shù)據(jù)訪問性能和計(jì)算性能的失衡不斷增長，從而推動了許多新型隨機(jī)存取存儲器（RAM）技術(shù)的發(fā)展。比較典型的新型 RAM 技術(shù)包括磁阻 RAM（MRAM）、電阻式 RAM（ReRAM）和相變 RAM（PCRAM）。這些新型器件一直受到行業(yè)的廣泛關(guān)注，但是直到最近，其商業(yè)實(shí)現(xiàn)還寥寥無幾。現(xiàn)在，得益于更先進(jìn)的制造系統(tǒng)的不斷發(fā)展，這種雷聲大雨點(diǎn)小的局面馬上就要改變了。
在這些新型 RAM 技術(shù)中，MRAM 對物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計(jì)算設(shè)備特別有吸引力。因?yàn)?，它能?shí)現(xiàn)比目前這類硬件上的首選存儲類內(nèi)存 -NAND 閃存 - 低得多的功耗，同時實(shí)現(xiàn)非易失性數(shù)據(jù)存儲。同時，MRAM 本身訪問速度也相當(dāng)快，這意味著您不僅可以用它取代這類硬件設(shè)備上的閃存，還可以替換掉大部分 SRAM，從而進(jìn)一步節(jié)約成本。
在 MRAM 這個賽道中，三星已于今年三月份發(fā)售了首款 MRAM 產(chǎn)品，臺積電的產(chǎn)品則正被 Gyrfalcon 技術(shù)公司用在其 AI 加速器中。還有 Everspin，該家 MRAM 提供商的產(chǎn)品被 IBM 用作高容量（19TB）SSD 的緩存。就在上周，Everspin 宣布其 MRAM 產(chǎn)品得到了 Sage 微電子用于企業(yè)級 SSD 的閃存控制器的支持。
和 MRAM 的目標(biāo)市場不同的是，ReRAM 和 PCRAM 更有可能出現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器中，這兩種器件是存儲級內(nèi)存的理想選擇。SCM 提供了一種比 NAND 產(chǎn)品快得多并且比 DARM 更加便宜的中間存儲器層。英特爾的 3D XPoint Optane Persistent Memory 產(chǎn)品似乎使用某種相變技術(shù)，是 PCRAM 技術(shù)的早期應(yīng)用實(shí)例。
應(yīng)用材料公司金屬沉積產(chǎn)品副總裁凱文莫拉斯表示，這些新型存儲器的商業(yè)化正是由物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計(jì)算設(shè)備以及互聯(lián)網(wǎng)用戶產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)推動的。這類數(shù)據(jù)不斷涌現(xiàn)，預(yù)計(jì)將從 2018 年的大約兩個 zettabyte 增加到 2022 年的 10 個 zettabyte。從更一般的技術(shù)角度來說，這類數(shù)據(jù)需求在很大程度上是由人工智能和數(shù)據(jù)分析應(yīng)用推動的。
在數(shù)據(jù)量飆升的同時，由于傳統(tǒng) CMOS 技術(shù)的限制，處理器性能的增長曲線已經(jīng)趨于平緩。在上個世紀(jì) 80 年代和 90 年代的鼎盛時期，Dennard 縮放速度、摩爾定律的表現(xiàn)每年都會超過 50%。但是，Dennard 縮放定律已經(jīng)壽終正寢，摩爾定律則步履蹣跚?，F(xiàn)在，處理器性能的年度提升率僅為 3.5%。
“由于摩爾定律的放緩，數(shù)據(jù)的增長速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了計(jì)算增長速度，”莫拉斯告訴記者?！耙虼?，我們認(rèn)為行業(yè)將會推出一整套新的硬件架構(gòu)，以提高計(jì)算效率。而提高計(jì)算效率的關(guān)鍵則在于這些新型存儲器。”
作為全球最大的半導(dǎo)體設(shè)備制造商，應(yīng)用材料公司是許多業(yè)界頂級代工廠的主要供應(yīng)商，包括英特爾、臺積電、三星和格羅方德。此外，它還與 IBM、SK 海力士、Crossbar 和 Spin 內(nèi)存等公司在產(chǎn)品開發(fā)方面進(jìn)行了合作。應(yīng)用材料公司成立于 1967 年，在過去的半個世紀(jì)中一直推動并見證了摩爾定律的發(fā)展。
雖然在過去五十年中半導(dǎo)體制造材料相對而言比較穩(wěn)定，但是莫拉斯表示這種局面現(xiàn)在正在發(fā)生變化。以前，除了硅以外，只有很少種類的元素可以用于芯片制造，比如用作 CMOS 摻雜劑的硼?，F(xiàn)在，鍺、硒、碲、氮和過渡金屬氧化物這些元素和化合物都進(jìn)入了芯片制造領(lǐng)域，特別是在這些新型存儲器件中更是可以見到這些新材料的身影?！艾F(xiàn)在就像是狂野的西部時代，”莫拉斯說。“人們開始使用各種材料制造芯片?！?/p>
從根本上來說，這使得半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展從主要面臨物理上的挑戰(zhàn)向面臨物理和材料上的雙重挑戰(zhàn)而變化。這無疑會使制造過程更加復(fù)雜，需要更為精確的控制材料沉積的方法。這些新型存儲器要用于廣泛的商業(yè)用途，制造過程必須足夠穩(wěn)健才能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的精度和性能。
這正是應(yīng)用材料公司的用武之地。最近，該公司宣布了一系列專為大批量生產(chǎn) MRAM、PCRAM 和 ReRAM 而設(shè)計(jì)的新系統(tǒng)，目的是幫助使得基于這些新型技術(shù)的器件更加可靠和經(jīng)濟(jì)高效。
應(yīng)用材料公司的 MRAM 系統(tǒng) Endura Clover MRAM PVD 是一種九室設(shè)備，可控制 MRAM 所需的 30 種不同材料層的沉積。根據(jù)莫拉斯的說法，這個系統(tǒng)可以在亞埃級的精度上實(shí)現(xiàn)沉積，從而使得內(nèi)存的耐久性達(dá)到商業(yè)應(yīng)用水平。莫拉斯表示，得益于其新系統(tǒng)更為精細(xì)的沉積技術(shù)，他們將 MRAM 的耐久性提高了 100 倍。應(yīng)用材料公司把其 Clover 平臺出貨給了五家客戶，其中一個正式提供嵌入式 MRAM 產(chǎn)品的初創(chuàng)公司 Spin Memory。
應(yīng)用材料公司有另一個名為 Endura Impulse PVD 的新平臺，使用了類似的九腔設(shè)計(jì)來制造 ReRAM 和 PCRAM 晶圓，在這個系統(tǒng)中，使用了真空沉積方案保證各層的厚度和成分的均勻性。該平臺有 8 個早期的客戶，包括 ReRAM 制造商 Crossbar。
最近在新型 RAM 技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)展能否開啟新型 RAM 市場的騰飛還有待進(jìn)一步觀察。當(dāng)然，如果應(yīng)用材料公司制造新 RAM 的系統(tǒng)取得了成功，也就理所當(dāng)然地意味著市場上將出現(xiàn)更多使用了這些替代性的新型 RAM 器件的設(shè)備，同時也可能會出現(xiàn)一些新的存儲器供應(yīng)商。當(dāng)然，這并不是說 DRAM、SRAM 和 NAND 閃存會很快消失，這些更為成熟的技術(shù)還有很長的壽命周期。但是，就像曾經(jīng)發(fā)生在處理器領(lǐng)域的事情那樣，在未來幾年內(nèi)，我們將會看到更加多樣化的內(nèi)存技術(shù)，來應(yīng)對日益復(fù)雜和苛刻的應(yīng)用環(huán)境。
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