英飞凌公司最近透露了他们正在开发的一系列旨在替代已有技术的最新存储器技术,以防DRAM或闪存优势不再,英飞凌存储器产品业务部首席技术官Wilhelm Beinvogl表示。
英飞凌为了不放过任何一种可能性,正在尝试各种方案,从磁阻和铁电随机存储器到静态实验性传导桥、相变和有机RAM等等。不过,由于各种可能的方案太多,反而导致工作缺乏重点。
“也许,还没有真正明显胜出的方案。”欧洲VLSI调查公司执行总监Bob Marinar表示。
在开发具有非易失性、高速、耐写特性的通用存储器方面,英飞凌及其它存储器生产商没有太多的选择,但却涉猎了好几种有吸引力的可选方案,英飞凌的Beinvogl承认:“业界没有一种统一的意见。”
在英飞凌研究的各种技术中,磁阻(MRAM)和铁电(FeRAM)似乎是最有前途的。
IBM和英飞凌联合开发出了容量为16Mb的MRAM展示样品,其单元尺寸只有1.42平方微米。英飞凌公司透露,该展示样品采用0.18微米CMOS工艺制造,需要3个特殊的MRAM掩模层和3个铜层。这两家合作开发伙伴宣称,这种16Mb MRAM是业界单元尺寸最小、工艺最简单且密度最高的兆级MRAM。该展示品侧面厚79mm。
IBM-英飞凌合作开发的MRAM正在从实验室阶段走向试生产阶段,其生产地点已从位于纽约East Fishkill的IBM工厂转移到了IBM和英飞凌在法国Corbeil Essones的合资公司Altis半导体。
但Beinvogl提醒说,16Mb MRAM的每位成本相比现今最高密度的DRAM或NAND闪存仍要高出很多。要使MRAM成为实用的通用存储器,必须在今后两年做进一步的调试、提高良品率并进一步缩小单元尺寸。
英飞凌已经向那些对MRAM感兴趣的用户作了说明,Beinvogl指出。举例来说,这种存储器可以帮助系统OEM厂商开发“立即开机”的计算机,因为在系统断电后MRAM中的信息仍能保持不变。但这仍然只是一种“理想”,Beinvogl表示,因为没有人愿意支付MRAM费用,除非它的单元尺寸做得更小。
批评家们也怀疑MRAM单元的磁隧道结点尺寸在今后十年内能否随着技术的进步而有所改变。另外还存在功耗的问题,由IBM MRAM设计经理John DeBrosse领导的小组成员在最近于Honolulu举办的2004年VLSI电路座谈会上透露。
上述这种16Mb MRAM展示品的平均写入时间相当短,仅30ns,功耗则是80mW。DeBrosse透露,设计小组正努力工作以在写入电流方面获得重大的进展,包括材料和电路设计的改进,但他拒绝披露详情。
DeBrosse在回答某个提问时透露,该器件的故障率目前接近5%,这样的故障率“毫无疑问还需要进一步的改善”。
在对FeRAM进行了8年的投资之后,英飞凌打算通过引入新的垂直电容将FeRAM带入主流市场。传统的FeRAM设计采用的是二维平面电容,而英飞凌选用了倾斜角成90度的垂直电容。据说这样可以获得更小单元尺寸和更高的密度。
Beinvogl说:“垂直电容架构可以算是一种‘革命性的方法’,我们希望改变FeRAM的规则。”由于英飞凌与东芝公司的业务方向有分歧,去年这两家公司终止了FeRAM方面的合作。英飞凌专注于开发一种高密度、小型结构化的先进FeRAM单元。
除了改进单元尺寸、保持时间、读/写速度和耐用等关键特性外,Beinvogl认为:“开发新存储器的其中一个有吸引力的地方,就是寻找它的可嵌入性能。”包括英飞凌在内的许多业界公司都希望将定制的DRAM阵列嵌入系统级芯片(SoC)中,早在几年前这就被认为是下一个将要出现的大事情。然而嵌入式DRAM产品市场一直没有起色。
不过,Beinvogl承认,虽然英飞凌的DRAM产品系列中还保留有嵌入式DRAM,但早在两年前英飞凌就不再将其视为重点了,因为市场已经选择了多芯片系统级封装,而不是SoC。
在技术的前端,存储器工艺与逻辑工艺的不兼容性仍是一个问题。虽然在逻辑芯片上采用CMOS工艺增加SRAM几乎不花什么成本,但嵌入式DRAM的工艺复杂度一般会增加10%到20%,Beinvogl表示。
比较而言,逻辑芯片中的嵌入式MRAM只需要再加三个蚀刻层。“这是可以接受的。”Beinvogl表示,并认为工艺复杂度的增加“肯定不会超过10%”。他说,较早前的研究表明,嵌入式有机存储器所增加的复杂度要更低一些。
虽然英飞凌的存储器研发资源涉及到许多项目,但Beinvogl强调说,他的小组是遵循严格的步骤非常谨慎地选择研究目标的。首先,公司在原理研究的基础上对存储器技术进行理论评估。在公司认为值得做试验后,小组会通过仿真来查看基本的存储器行为。如果该技术通过了这一过程,就进入采用完整CMOS工艺的芯片测试阶段。然后,在第四阶段英飞凌才开发展示样品。
英飞凌的MRAM和FeRAM项目已经到了展示样品阶段。而传导桥接RAM(CBRAM)、相变RAM(PCRAM)和有机RAM则仍处于较早的试验或测试芯片阶段。
英飞凌在去年圣地亚哥举行的非易失性存储器技术研讨会上演示了CBRAM的可调行为,而且已经开发出了CBRAM的测试芯片。据Beinvogl透露,从试验的第一阶段看,其电气性能、耐用性和可调行为都非常“有前途”。
尽管世界上最大的存储器生产商三星电子有限公司已经发表了许多关于PCRAM的技术论文,但PCRAM对英飞凌来说还比较陌生,Beinvogl表示。“对PCRAM(其写入操作通过电阻发热触发)的内部模拟使我们消除了对PCRAM阻热的许多顾虑,因为需要限制热量范围以防止对相邻单元的伤害。随着普遍地对PCRAM兴趣的增加,我们对PCRAM的信心也更高了。”他指出。
Beinvogl透露,英飞凌很快将宣布在德国以外地区开展有关PCRAM的更大型合作项目。但英飞凌拒绝透露更多详情。
Beinvogl认为,新兴存储器技术的最大挑战在于“它们不仅需要完善自我,更要赶上已有存储器技术的发展”,因为传统的DRAM和闪存技术并未停滞不前。Beinvogl向本刊透露说,事实上在所有与存储器研发相关的费用中,他的小组只花了其中的5%到10%在新技术上,大部分费用仍主要用在DRAM和闪存技术的进一步开发上。
作者:原好子
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