在新型工艺节点上，新型非易失性存储器（NVM）技术有望取代闪存，成为嵌入式应用领域的主流存储技术。磁阻式随机存取存储器（MRAM）和阻变随机存取存储器（RRAM）最有可能成为主流候选方案，而相变随机存取存储器（PCRAM）则只能在旧工艺节点上继续使用。

与此同时，另一家公司正在开发一种全新存储单元架构——它甚至有可能取代 DRAM。而铁电随机存取存储器（FeRAM）也蓄势待发。

RRAM 和 MRAM 很可能长期共存，前者成本更低，后者速度更快，更能应对极端条件。两者都比嵌入式闪存更具优势，尤其是在现代工艺节点上，但考虑到 NAND 闪存的成本优势，它们不会对独立闪存构成威胁。而且任何全新存储单元技术都需要时间获得行业认可。

促使人们考虑非闪存技术的原因之一是持续收紧、价格大幅上涨。" 未来数年，HBM、DRAM、NAND 都要应对近乎无止境的需求。"Everspin 销售副总裁 Sean Dougherty 表示，" 头部厂商把现有产能优先供给少数大客户，削减甚至退出其他行业的供货。"

三大长期竞争对手

过去几年中最引人注目的三种非易失性存储器技术是 MRAM、RRAM 和 PCRAM。MRAM 作为一种独立存储器已经实现商用，但主要面向专用场景。PCRAM 技术最初应用于音乐 CD，但作为存储器的发展却面临挑战。RRAM 则是一种较新的技术，但正在逐渐获得市场认可。

联电区域营销副总裁 Suhail Zain 表示："MRAM 通常定位速度更快、耐久性更高的嵌入式应用场景，例如持久工作存储器。"

与此同时，RRAM 凭借成本优势，正瞄准更广泛的系统领域。"RRAM 通常用作通用嵌入式非易失性存储器，适用于物联网 MCU（MCU）中的固件存储或电源管理芯片（PMIC）中的配置存储器等应用。"Zain 表示。

表 1：联电工艺实现的 RRAM 与 MRAM 性能参数。数据来源：联电

新思科技嵌入式存储器首席产品经理 Daryl Seitzer 表示："MRAM 和 RRAM 都在获得越来越多的关注。从成熟度来看，MRAM 推进较快，而 RRAM 的商业化进程也在加速。Nuvaton 和英飞凌等公司都推出了集成在 MCU 中的 RRAM。"

尽管经过多年的努力，PCRAM 在竞争中逐渐落后。目前还没有商业产品问世，也没有厂商推进其向鳍式场效应晶体管（FinFET）及更先进制程移植。新思科技为嵌入式存储器开发编译器，如果客户有需求，他们也可以为 PCRAM 开发编译器。Seitzer 称：" 尚未有客户明确提出需求，希望实现 PCRAM 嵌入式集成、芯片设计适配，并配套对应的编译器工具。"

业内也认同这一观点。英飞凌嵌入式控制器技术概念杰出工程师 Robert Wiesner 表示："PCRAM 已在平面 CMOS 工艺实现商用，但暂无厂商推动其落地 FinFET 节点，RRAM 与 MRAM 则持续开展相关研发。"

可扩展性为关键因素

MRAM 和 RRAM 蓬勃发展的主要优势之一在于它们能够扩展到新的工艺节点。而闪存则基本停留在 28nm 节点。它凭借 3D 架构保持成本优势，这使得闪存的价格远低于其他技术。闪存统治力极强，各类新型存储技术并未在独立存储赛道与其正面竞争。

Seitzer 表示：" 独立闪存具有很强的成本优势。目前 RRAM 或 MRAM 独立芯片的市场需求并不高。"

尽管闪存在独立存储器方面可能具有优势，但在嵌入式应用中情况则截然相反。" 在 28nm 及之后的工艺（例如 FinFET）中，将闪存集成到最先进的 CMOS 工艺中已成为一个重大难题，"Wiesner 说道，" 工艺复杂性大幅增加，而进一步微缩空间陷入停滞。"

因此，MRAM 和 RRAM 被视为嵌入式存储器的主要发展方向。二者相比嵌入式闪存所需新增工艺步骤更少，并且支持字节寻址，而 NAND 闪存不具备该特性。NOR 闪存也支持字节寻址，并且更常用于在 MCU 中存储代码。但是，如果单片 MCU 需要采用 FinFET 工艺，则 NOR 闪存无法使用。而这正是 MRAM 和 RRAM 的适用场景。

Zain 表示：" 二者一大核心优势是主要在芯片后端工艺实现集成，仅需少量新增掩膜层，就能较为简便地嵌入现有逻辑工艺平台。"

Everspin 首席执行官 Sanjeev Aggarwal 表示：" 像三星、台积电或格罗方德等晶圆代工厂都在提供嵌入式 MRAM 以及嵌入式 RRAM。客户在有商业应用时会选择 RRAM，而在注重性能和可靠性的领域，例如工业和汽车行业，则会选择 MRAM。"

晶圆代工厂致力于这两条技术的发展。"RRAM 和 MRAM 都被纳入晶圆代工厂的长期发展路线图。RRAM 更多地用于成本优化的代码闪存替代方案，而 MRAM 可以像 SRAM 一样用于数据存储以满足高耐久性要求。"Wiesner 说。

Seitzer 对此表示赞同：" 台积电的路线图覆盖 12nm 和 6nm 工艺。"

能否替代 SRAM？

部分厂商尝试替代 SRAM，核心动因是 SRAM 占用大量芯片面积。Dougherty 表示：" 工艺持续演进，嵌入式 SRAM 单元密度难以同步提升，存储器持续占用芯片绝大部分面积，推高整体成本。"

业界的目标是依靠非易失性存储器实现末级缓存。"MRAM 的读取速度不如 SRAM 快，" 格罗方德产品管理副总裁 Jamie Schaeffer 表示，" 它们距离皮秒级的读取速度还差得很远，但接近 10 皮秒的读取速度。"

尽管 MRAM 和 RRAM 的特性有所不同，但它们的用途却有很多重叠之处。MRAM 适用于航天、汽车等严苛环境。如果优化侧重读取速度，性能可以超越 RRAM，其目标应用范围非常广泛。

但这类存储器件制造要求严苛。泛林集团全球产品管理工程高级总监 Anish Khandekar 称：" 多数新型非易失存储器可以依托现有半导体产线制造，但独特的集成难题使得工艺要求远超常规存储流程。例如，MRAM 图案化通常需要离子束刻蚀精准定义磁性堆叠结构，常规等离子刻蚀无法满足材料加工要求。同时器件受后端热预算严格限制，必须采用高精度低温化学气相沉积（CVD）与原子层沉积（ALD）工艺，材料层面挑战很大。"

MRAM 具有速度优势

MRAM 有三类主流技术方案。Toggle MRAM 问世最早，由 Everspin 推出独立存储产品实现商用。当前商业化版本为 STT-MRAM，存储单元尺寸小于 Toggle MRAM。其性能与耐久度存在取舍关系，需要针对特定应用进行优化。

MRAM 读写速度快、耐用性好，因此目前市面上常见的 Toggle MRAM 主要用于需要持续写入的数据记录。" 无需考虑损耗程度，也无需外接电池或电容维持数据，"Dougherty 解释道。

" 耐久性和性能之间存在权衡，但这不一定是工艺上的区别，"Seitzer 说，" 这是实现方式上的区别，取决于单元写入驱动强度。"

第三种方案—— SOT-MRAM 旨在解决 STT 方案的取舍难题，目前仍处于研究阶段，距离商业化可能还有数年时间。Dougherty 称：" 据我所知暂无商用产品推出。"

关键在于找到适合特定工作负载或应用的方案。Zain 表示："MRAM 是一种后端存储器，是非易失存储器中读写速度最快的品类之一，适合环境可控场景下的持久性工作内存，包括航天系统、具备防护环境的车载设备。"

Schaeffer 表示："MRAM 适配工作环境严苛的车载 MCU 与工业自动化场景。"

Dougherty 认为："MRAM 将在边缘人工智能领域发挥重要作用。边缘人工智能嵌入式系统对存储密度、读写性能需求极高。"

然而，对于外部磁场是否会对 MRAM 造成影响，目前似乎存在争议。对于 Toggle MRAM 来说，外部磁场可能构成影响，但它们通常采用屏蔽封装。Everspin 公司表示，STT MRAM 本身不受磁场影响，但业内仍普遍存在相关顾虑。

Wiesner 表示：" 对部分应用而言，MRAM 的磁场敏感性是重大隐患，生产流程与实际使用场景都必须满足磁场指标要求。"

作为唯一一家量产独立 MRAM 的供应商，Everspin 公司却持不同观点。" 我们的 STT MRAM 具有抗磁干扰能力，这取决于我们所用材料的特性，"Aggarwal 说道。

RRAM 主打低成本

RRAM 有两种类型。导电桥随机存储器（CBRAM）依靠电介质内部金属导电丝的生成与断裂实现开关；氧空缺基忆阻器（OxRAM）通过调控电介质内氧空位实现阻变切换。OxRAM 在竞争中占据上风，已经集成至 MCU 产品。

Zain 表示：" 由于 OxRAM 所用材料为 CMOS 中常见的金属氧化物和惰性电极，因此它更适合晶圆厂大规模量产集成，后端集成更简洁，污染风险更低。CBRAM 依靠活性金属离子电化学迁移形成、溶解导电桥，容易引发金属扩散污染，在逻辑晶圆产线中对工艺窗口、可靠性冗余设计要求更高。"

OxRAM 在宽温环境稳定性上同样优于 CBRAM。"OxRAM 依靠氧空位与导电丝调控完成开关切换，而非反复电镀、剥离金属导电丝，高温数据保存能力与稳定性更强，适合需要高温长期保存数据、宽工作区间稳定运行的场景。"Zain 说道。

RRAM 读取速度较快，但 OxRAM 的写入速度却很慢。Aggarwal 表示：" 写入速度接近闪存，部分情况下甚至更慢。虽然不需要整块擦除操作，但写入耗时依旧偏高。"

从优点来看，RRAM 成本更低，尺寸更小。Wiesner 称："RRAM 工艺架构简洁，后端堆叠结构仅包含小型电容（下电极、电介质、上电极），搭配标准 CMOS 选通器件，无需特殊材料与专用设备。"

Zain 表示："RRAM 与前端 CMOS 工艺具有很强的兼容性，因此非常适合 300mm eNVM SoC 平台，包括基于 MCU 的应用。这种适应性也使其也能够集成至 BCD（双极 -CMOS-DMOS）、嵌入式高压等特色工艺。"

英飞凌已选择 RRAM 用于 28nm 以下制程节点的 MCU。" 英飞凌与台积电联合开发的 ATV 系列 RRAM 满足以往嵌入式闪存的全部核心指标：175 ° C 下数据保持时间超过 1000 小时（在 125 ° C 下约 8 年，在 40 ° C 下约 20 万年），可支持 25 万次代码改写，读取时间仅需 15.2 纳秒，工作温度范围为 -40 至 160 ° C，水平优异。"Wiesner 表示。

英飞凌认为 RRAM 制造难度低于 MRAM，同时也在研究 MRAM 方案，目标用作数据存储以替代 SRAM。

低调实现量产的方案

FeRAM 技术已经研发多年，并且已用于一些特定用途的商业化生产。它依靠电介质两种不同晶相取向代表存储状态，该电介质单元等效电容，CEA-Leti 将其命名为 FeCap。

FeRAM 的一大优势是极高的耐久性。CEA-Leti 集成与器件工程师 Laurent Grenouillet 表示：" 如果需要持续写入并长久保存数据，FeRAM 极具吸引力，这也是当前商用产品将其用于数据记录的原因。"

FeRAM 的另一个优点是写入功耗低。" 铁电存储器的优势在于，只需在 FeCap 两端施加电压（几乎不需要电流）即可写入信息，"Grenouillet 说道，" 而电阻式存储器则需要电流流过器件，能耗通常高出 100 倍。"

目前 FeRAM 面临的最大挑战是尺寸微缩。" 基于锆钛酸铅（PZT）的产品已经商用多年，但无法继续微缩，制程止步于 130nm。PZT 与 CMOS 工艺不兼容，也无法通过原子层沉积工艺制备。"Grenouillet 解释。

CEA-Leti 近期宣布，他们已成功实现利用铪锆氧化物（HZO）作为存储单元材料，成功在 22nm 实现 FeRAM 集成。HZO 材料已广泛应用于 CMOS 晶圆厂，并可通过原子层沉积（ALD）技术进行沉积。该团队目前正在使用 7nm 的薄膜，持续推进至 5nm、4nm 节点研发。

" 嵌入式 FeRAM 集成仅需新增 2 至 4 层掩膜。20nm 节点下，单元面积可比 SRAM 缩小 40%。"Grenouillet 称。存储电容采用垂直结构，形态类似 DRAM 电容，高度可达 1 微米。"FeCap 面积越大，存储窗口裕量越高。"

美光数年前曾研发 32Gb FeRAM 产品，命名 NVDRAM。读写时序特性对标常规 DRAM，其本质上是一种非易失性版本 DRAM。然而，公司至今尚未将其商业化，因此尚不清楚是其不适合量产，还是仅仅出于资源优先考虑。

全新存储单元架构

一家名为 Quina 的初创企业开发了一种全新存储单元，区别于所有现有非易失存储器，方案采用浮栅结构，但电子传输路径采用创新机制。

Quinas 首席执行官 James Ashforth-Pook 介绍："UltraRAM 属于化合物半导体浮栅存储器件，可以视作 III-V 族材料体系的闪存同类产品，但电荷转移机理存在本质区别。传统闪存依靠电子隧穿穿过氧化电介质；UltraRAM 利用量子共振隧穿，电子穿过经过设计的 III-V 族异质结构。"

Quinas 首席技术官 Peter Hodgson 表示：" 上层为浮栅，下层通道结构和闪存类似。闪存依靠电介质阻挡电荷，防止浮栅电荷泄露。我们利用量子效应构建功能层：器件不加电压时阻抗极高；施加 2.5 伏电压，电子就能通过该结构向上或向下共振隧穿。"

Quinas 的存储器采用三层 AlSb 势垒，将两个 InAs 量子阱隔开。Hodgson 解释：" 材料结构经过精确外延生长设计，零电压条件下两个量子阱基态能级轻微错位。不加电压时，电子无法在通道与浮栅之间迁移。"

图 1：Quinas UltraRAM 存储单元。FG= 浮栅；TBRT= 三重势垒共振隧穿结构。图示存储单元结构。来源：Peter D. Hodgson, Dominic Lane, Peter J. Carrington, Evangelia Delli, Richard Beanland, Manus Hayne, CC BY 4.0，Wikimedia Commons

隧道层极其纤薄，一层仅包含四个单原子层，另一层为 17 个单原子层。该尺度下量子效应占据主导。" 电子同时存在于结构内多个位置，波函数贯穿整个器件。"Hodgson 表示。

由于该存储单元材料难以适配 CMOS 产线，企业选择在 III-V 化合物半导体晶圆厂制造。Hodgson 称：" 我们使用 6.1 埃晶格常数体系半导体材料，锑化镓、砷化铟、铝锑晶格常数均接近 6.1 埃。硅晶圆厂排斥这类材料，存在污染风险，但在光电二极管、激光器、光电子领域已广泛应用。"

存储单元需要配套控制逻辑，企业规划两条技术路线。方案一：独立硅基控制芯片，与承载存储单元的 III-V 芯片键合；方案二：直接在 III-V 晶圆上制备逻辑电路。

企业宣称产品具备超长数据保存能力；耐久测试完成 1000 万次循环，器件无性能衰减。

" 基于保存测试数据，理论上数据保存寿命近乎无限。我们论文中没有采用该表述，避免引发争议，因此采用线性外推曲线，该估算结果偏保守，但依旧达到 1000 年，足以满足绝大多数存储需求。"Hodgson 说道。

超长保存时长与耐久度，源于温和的编程机制，区别于热载流子注入、福勒–诺德海姆隧穿方案。Hodgson 解释：" 核心原因是写入过程注入能量极低，器件不易发生损伤。"

存储单元必须依托 III-V 晶圆厂制造，产能会受相关产线规模制约。Ashforth-Pook 表示：" 这并非无法突破的根本障碍，只是制造策略需要重点考量。我们初期目标市场刻意选择低产量、高附加值场景，能效、耐久度、数据持久性优先级高于单位比特成本。"

性能对标 DRAM

Quinas 目前正使用大型测试结构来测试器件，因此测试结果无法反映缩小到量产节点后的实际性能。" 器件完成微缩后，预计在 20nm 工艺下将达到 1ns 的开关速度，这与 DRAM 的性能相当，实际上可能比 DRAM 还要快一些，"Hodgson 说道。

和美光 FeRAM 项目一样，Quinas 最初目标就是替代 DRAM。读取速度具备竞争力，无需刷新操作，等效读取速度更快、功耗低于 DRAM。预估单元面积 6F ²，成本具备竞争力，进一步缩小至 4F ² 后优势会发生变化。

但现在该公司正调整策略，探索神经形态计算。该存储单元支持多电平存储，有望实现存内计算（IMC），目前其产量较低，这使得 Quinas 可以更平稳地提升出货量。

对于此类重大变革，业界态度向来保守。企业需要说服产业链方案成熟、潜在风险全部解决。存储单元开展验证的同时，团队同步研发制造流程与完整存储架构，包含配套数字控制逻辑。Quinas 预计 2029 年实现产品上市。

存储领域格局日趋复杂

长期以来行业主流存储仅有三类：DRAM、闪存、SRAM。其他技术虽存在，但并未大规模量产，如今局面正在改变。

搭载 MRAM、RRAM 的 MCU 陆续面世，两大新技术进入大规模量产市场，但暂无独立存储芯片产品。反观 PCRAM，发展前景持续黯淡。

FeRAM 的发展一直受制于工艺可扩展性不足，但这种情况可能正在改变。FeRAM 作为一种非易失性存储器具有很大的潜力；如果业界能够实现 DRAM 替代，将打开巨大市场空间。

Quinas 将自有技术命名 UltraRAM，初期面向专用场景，远期目标打造通用存储器。现阶段技术前景值得关注，但仍有大量研发工作待完成。最终结果要么不及预期，要么重塑行业格局，未来数年将会见分晓。（校对 / 孙乐）

参考链接：

https://semiengineering.com/new-nonvolatile-memory-winners-emerge/