国防科技大学方粮：闪存技术进展及新型存储技术

从移动存储到大系统构成，如今的闪存应用变得极为广泛，闪存构成的固态SSD表现出很好的特性，目前主流的SLC/MLC/TLC都已经有存储产品投入应用。

纵观整体存储市场，SSD与传统磁盘PK，以及前者获得更加广泛的普及，关键依然在于价格。除此之外，我们还应当了解现今闪存技术的发展进程，以及更多的新型存储技术。

2019年12月4日，在中国数据与存储峰会上午的闪存系统与应用论坛上，国防科技大学计算机学院研究员方粮为我们带来《闪存技术进展及新型存储技术》的主题演讲。

现在闪存基本在往3D方向发展，还有今年SK海力士透露已经研发成功的128层堆栈4D NAND并投入量产。美光的CuA（CMOS under Array），能够节省更多的空间来做更多层。英特尔明年也要量产144层QLC NAND。

国内存储也有一些创新，长江存储的Xtacking结构，和前边提到的4D结构类似，把CuA单元放在顶层，一样也是盖高楼，64层，然后往更多的96层，100层+往上走。但楼层越盖越高，容量肯定越来越大，各方面也会带来一些问题，可靠性和性能方面会有受到影响。

关于SSD还有人预测，NAND工艺可能终止在2020年的10nm。相比较而言，HDD传统磁盘容量进展缓慢，到2015年HDD到10TB，2020年估计可以到40TB，2025年可能到100TB，有一些新技术，比如热辅助写入等可能还会使传统磁盘在容量上走得更长远，但已经跟SSD拉开了很大差距。因为SSD至2018年底已经达到128TB。

超大型数据中心用户自研的SSD未来占比会不断提升，它可能不会去买现有商用设备，因为成本太高，因此通过自研来增加存储容量和性能，所占比例正在快速的增长。

闪存技术到了相对比较成熟的阶段，但可能还会有一些进展，技术还有一些发展，一些新型技术也在研究和出现，其中之一就是被称为阻变存储技术。

阻变存储技术(RRAM)

这个技术存在原因是发现某些材料，目前最多的是过度金属氧化物，基本上都有这种特性，它的薄膜厚度大概在50nm，如果两端加了电压，电阻会发生变化。

因为过度金属氧化物的薄膜其实都是一个绝缘体，不导电，但是通过加压以后，发现电阻会变化，电压撤掉以后，电阻还会保持在那，所以这些应用有可能会作为存储器，发现以后就成为一个研究的热点。

左边这张图是切换次数和高低点变频之间的一个对应的关系，这个图是500次开关以后，高低的变频基本上没有变化，右边是一个结构，所谓的结构上下是电极，中间有一层功能材料，这个材料是薄膜，目前大部分是金属氧化物，比如说氧化锌、氧化钛等等，这些薄膜会受电压的变化，它的电阻会在高和低之间切换，这是所谓的阻变存储。

 刚才提到大家对闪存结构和机理清楚，但对于阻变的机理还不是很清楚，学术界有一些研究成果，比如导电切换机制分成三类——电化学金属化机制，价电改变机制和热化学机制。其中在电化学金属研究中提出和一个导电细丝形成有关，通过两端加压形成导电细丝，引起电阻的变化。所以导致离子迁移或者氧化还原反应的过程。这能解释一部分材料结构阻变情况，但不能解决所有的阻变情况。

刚才提到有多种假设来解释氧化物的阻变过程，最广泛的是离子迁移。通过分析大量实验结果，发现一些共同的特征。第一，不依赖与电场的极性。第二是电致电阻变换下锰氧化物材料的电阻下降。第三是材料离子化学态发生变化。

这个实验结果展示的共有特征说明，氧化物电致电阻变换的机制应该不是电场下位迁移形成导电细丝模型所描述的。研究结果表明应该考虑载流子注入效应。在不同的电极情况下，可能它会表现出不同的一些现象，这个说明电极也可能参与了阻变的过程，不仅仅是材料本身所引起的。

载流子注入与自束缚载流子观点描绘出了相当合理的图像，来理解观察到的大量不同研究组发表的多种多样氧化物电致电阻变换行为实验结果。综合来看，外加电场下氧化物薄膜的电阻变换与引起的相关现象可能会开辟出一个奇异的全新研究与应用领域。也就是说阻变可能不像开始的时候人们理解的那样简单，这个过程可能是一个非常复杂的过程，这是我们研究一段时间以后得出的结论。

相变技术(PRAM)

另外一种新兴的存储技术，我们称之为相变。由相变引起电阻的变化。因为要进入熔融态，所以它要接受比较高的温度，从比较大的电流进去，单元密度比较密的时候，芯片能耗就会非常得大，所以这是相变。机理清楚，但它最主要的一个是热的散发，需要散热。另外，尽量让它少产生热，这两个途径来做改进。

市场预测：PCM是一种非易失性存储设备，存储量更大，耐久性更强，读写速度更快，PCM的优势在未来不仅会逐渐取代现有存储器市场的大多数，而且将会大大扩展现有的存储器市场，前景极为可观，预计2025年市场规模可与当前半导体市场相当。

2016年5月，IBM发布了每个存储单元可以保存三位数据的相变存储技术。相变存储器能让PC和手机瞬间启动，让应用快速加载。如果能克服现有不足的话，相变的前景会非常好。

 既然相变有这个优势，学术界也做了很多研究，比如超晶格相变薄膜材料。比如Si/Sb（锑），它在离散电压脉冲下比其他材料要低47%，这说明它的功耗就低了。功耗一低，它的散热程度也会大大下降，这是在相变上做的一些探索性的研究。

另外一种，不通过熔融态去改变它的状态，而是通过电子空穴注入，改变了Ge原子的位置，这样没有一个熔融的过程，能耗降低，速度会更快一些。置位脉冲时间和电压的关系，以及电阻和复位电流的关系，电阻和置位复位循环。高低电阻没有很大的变化，说明这种情况在机理上还是可以有优势的。

磁性存储(STT-MRAM)

    目前大家谈论比较多的是磁存储器。早期的是FIMS，现在称为新的一代STT-MRAM，使得功耗大大下降，当然体积也有很大的改进。从原来需要大概10毫安的电流，现在可能是150微安左右，所以STT-MRAM的前景也是非常看好，可能会是成为非易失存储领域有竞争力的候选者。

   STT-MRAM已经开始实现商用。但目前容量有限，要扩大市场，需要实现大容量化，一旦容量有进展，它的读写性能和疲劳特性都会比闪存高出好几个数量级。

   它的问题是目前存在准确集约，包括温度、位置电压、尺寸等相关器件参数的宏模型，也没有一个高可靠的EDA工具的支持，成为阻碍大容量STT-MRAM大批量工业生产的重要因素。

同时，另一个亟待解决的问题是如何将磁隧道结的制造与CMOS工艺完美结合，并不断随着工艺进步而快速调整。它带有磁性，传统工艺没有磁性，所以流水线是不兼容的，这也是需要解决的问题。

铁电存储（FRAM）

铁电材料非常奇怪，它天生就有一个电场极性，这个极性会随着外电场的变化而变化，它中间的金属原子不是固定在一个位置，而是随着电场的偏移而偏移。

铁电存储是比较早提出来的，但早期因为有一个是破坏性的，这个内容丢失了，还要把它写回去，这样会浪费很多时间和损失很多能耗。

另外结构上的原因，容量不能做得很大，所以有小容量的产品，比如在智能电表或者汽车上有一些应用，但容量太小，所以说没有取得非常广泛的应用。

铁电存储有一些新的结构，比如在单元结构上的一些改进，把铁电做成CMOS的结构，这样在高速耐用性和低功耗方面可能是一个理想的解决方案。由于薄膜技术的进展，电源电压已经连续下降，可以确保低功耗操作。功耗如果降下来，它的发热等等也会有改善。

从单元的角度，如果把它不断地做一些改进，把这个MFIS插入一个绝缘层，这样可以降低一些漏电。或者插入一个MFIS进一步提高性能，在这个上面不断做一些改进，加一些技术层或者绝缘层，从单元上来改善铁电的性能。

另外，它的结构有一些新材料的发现，有一些新结构也提出来了，把它做成一种铁电存储的晶体管，不是通常存储电容中，右边的结构可以避免了破坏性的读出，在性能上有很大的改进。

另外一种全新的概念，发现通量全闭合的畴结构，相对可以在更小的单元尺度上来做这个存储，所以可以为高密度提供一个新的途径，这是在基础科学方面的一个很大的突破。通过新的一些表征手段，也发现了斯格明子以及二维斯格明子产生，在新形存储单元的结构应用上也带来了一些新的可能性，只能说可能性，因为绝对有可能它高密度存储也用，但是实际的应用用到器件上还有一定的距离，也就是说到现在还没有一个原型的系统。

但是斯格明子的产生，也为这种系统提供了一种可能性，它非常小，大概只有几个纳米的尺度。但是它非常稳定，这个也是一个非常有意思的发现。

因为铁电存储有很多的特性，一个是非易失、低功耗、多读写次数、高存取速度、高密度。另外它还有一个特性，就是抗辐射，抗辐射的特性可以在航空航天上得到很好的应用，应该说也是一个很有优势的存储。

基于铁电晶体管为存储单元的铁电存储器，还具有结构简单、非破坏性独出、遵循集成电路比例缩小原则的优点，未来发展前景广阔。另外HfO2薄膜铁电性的发现，为铁电存储的研发打开了一条新的通路。多值铁电存储单元将成为发展趋势，跟3D盖楼一样。

最后稍微总结一下，闪存来说，QLC+3D，或者4D NAND，XTacking容量将增加，但工艺极限预测是10nm，时间大约在2020年。

不过也不用太焦虑，因为集成电路当年曾经预测90nm是极限，现在7nm都已经商品化了，90nm当时分析热电流基本上是50%，没办法工作。但技术的进步大大超出预料，90纳米不仅通过，而且65纳米、40纳米、33纳米不断地往极限进，所以现在预测如果闪存工艺集成终结在10纳米，到2020年可能新技术突破了，所以也可能闪存在容量上还会进一步增加。

刚才提到的相对来说几种新的存储，需要进一步做机理探索，稳定性、可靠性提高，相变薄膜材料，它的目的是降低热能，离子和空间注入的TRAM可能是一种方法。从STT-MRAM看，新材料新结构可以增加STT效益。FRAM方面是新材料、新结构、新理论。新的存储芯片技术，闪存以后谁将成为主流芯片？取代现在闪存主流的位置，这现在还不太好说，就我个人而言，FRAM应该更有可能成为取代闪存的存储新技术。

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