新一代AI应用的存储利器来临？

在低功耗SoC、ASIC和MCU推动下，新兴NVM（非易失性存储器）市场不断增长，晶圆产量有望在2029年超过110KWPM（每月千片晶圆）。

半导体存储器市场将如何发展，技术竞争格局如何，新兴NVM应用前景会怎样？Yole Group《2024年新兴非易失性存储器》报告给出了详细分析。另外，新的NVM技术已经出现，欲在AI（人工智能）市场赢得先机。

新兴NVM技术动力何来？

Yole Group认为，新兴eNVM（嵌入式NVM）市场将在2029年达到26亿美元，汽车市场应用将引领增长。NVM包括MRAM（磁阻式随机存取存储器）、PCM（相变存储器）和RRAM（阻性随机存取存储器）等，正在为MCU中的嵌入式代码/数据存储，以及IoT、可穿戴设备和边缘AI设备的低功耗SoC/ASIC提供动力。

在小于28nm节点几何形状，一直缺乏具有成本竞争力的eFlash（嵌入式闪存）解决方案，这促使顶级代工厂（如台积电、三星、GlobalFoundries、UMC）和IDM（如意法半导体、英飞凌、恩智浦）积极投资于28nm以下节点的集成eNVM技术。

新兴eNVM晶圆产量有望蓬勃发展，从2023年的约3KWPM增长到2029年的约110KWPM，CAGR约为80%。在收入方面，预计在2029年的约26亿美元中，三种主要eNVM技术具有类似的增长潜力。

增长最快的细分市场是MCU eNVM，预计2029年将超过新兴eNVM收入的80%。采用eNVM的MCU晶圆产量将迅速增长，从2023年的不足1KWPM增长到2029年的47KWPM，CAGR约为124%。

汽车市场情有独钟

eRRAM（嵌入式阻性随机存取存储器）和PCM正在进军汽车市场，而MRAM（嵌入式磁性随机存储器）将首先在低功耗可穿戴/边缘AI应用中得到应用。业界的共识是，28/22nm将是eFlash的终结，这不是因为可扩展性的限制，而是因为经济障碍。由于可以用相对较少的光刻掩模（≤3）集成到后段制程（BEOL）中，非常需要采用新兴eNVM（如eMRAM、ePCM和eRRAM）技术。嵌入式超级闪存（如Microchip收购的SST）和MONOS（如瑞萨）解决方案可采用28nm，还可扩展到更小的几何形状。不过，在较小的节点其制造成本和复杂性（如28nm掩模数量＞25）将明显增加。

过去几年，eMRAM已经在消费市场取得了进展，许多公司推出了商用产品（如Nordic、Alif Semiconductors、索尼、Ambiq），而在英飞凌（eRRAM）和意法半导体（ePCM）等主要MCU供应商的推动下，产品在汽车市场渗透率令人刮目相看。

Yole Group认为，eMRAM在汽车应用中的潜力即将释放。随着汽车制造商向软件定义汽车转型，需要以单一硬件平台支持多代软件更新。为此，恩智浦携手台积电将于2025年开始提供16nm FinFET工艺车用eMRAM MCU，以支持汽车行业的转变。

工业是下一个目标市场，2024年3月，意法半导体推出基于18nm全耗尽绝缘体上硅（FD-SOI）技术和ePCM先进工艺的MCU，以支持下一代嵌入式处理设备。

代工厂和IDM扮演的角色

代工厂和IDM都在大力发展28/22nm新兴eMRAM、ePCM和eRRAM，并积极开发10nm级eNVM。

台积电、三星、GlobalFoundries和UMC等主要代工厂及IDM公司正在利用eNVM技术增加28/22nm晶圆产量，并在小于20nm的节点为下一代晶圆做好准备。

2023年2月，GlobalFoundries收购瑞萨的CBRAM（导电桥随机存取存储器）技术，瞄准消费类应用，包括家庭和工业物联网及智能移动设备。GlobalFoundries还正在评估其他eRRAM选项（例如Weebit的技术），并针对工业和汽车市场优化其22nm FD-SOI eMRAM，其下一个eMRAM节点是12nm。

三星也在开发基于14nm FinFET的eMRAM，还计划2024年量产14nm车用eMRAM，然后在2026年和2027年分别量产8nm和5nm车用eMRAM。与14nm产品相比，8nm具有密度提高33%、速度提高33%的潜力。

意法半导体则完全专注于ePCM。2024年3月，该公司推出基于ePCM的18nm FD-SOI的STM32 MCU，目标是工业、通信和医疗保健应用。

台积电目前正在生产40nm（BCD，双极-CMOS-DMOS三合一工艺）、28nm和22nm的eMRAM和eRRAM，同时也在进入16nm FinFET eMRAM和12nm eRRAM的预生产阶段。

AI处理呼唤更快、更节能的存储器

存储器通常分为易失性和非易失性技术。DRAM和SRAM等易失性存储器具有高速和持久性，但需要恒定的功率才能使用，且DRAM需要不断刷新以保持其数据。非易失性技术在没有电源或刷新的情况下可保持数据，有些是无限期的（如NAND闪存），有些是长时间（长保留或持久性存储器）。

传统上，非易失性技术在保持和单元耐久性之间存在固有的折衷。此外，传统的非易失性单元需要迭代编程或延长写入时间对单元编程，这限制了存储器的使用速度，无疑对当今的AI应用是一个瓶颈。

AI市场面临的最大挑战之一是，传统的CPU架构无法有效处理必须读入芯片、处理并从芯片中写回结果的大量数据。虽然新的芯片架构结合了存内计算（compute in memory），但它受可用的足够快的存储器类型和可集成存储器量的限制。在大模型应用中，计算数据备份和恢复的挑战也随之增加。国际能源署指出，除了速度之外，能源效率也变得越来越重要，预计到2026年，AI处理能耗将是2023年的10倍。

为解决上述问题，4DS Memory推出了一种新的接口切换ReRAM（电阻随机存取存储器）技术，可以为AI处理提供更快、更节能的存储。新技术为大数据和神经网络应用带来了高带宽、高耐久性的持久存储器。与其他丝状（filamentary）ReRAM技术相比，4DS基于PCMO（镨、钙、锰、氧）ReRAM技术的接口切换具有显著优势，是第一个在先进CMOS节点开发的高速、高耐久、持久非易失性技术。

由于4DS的持久性窗口不需要刷新，且可在DRAM操作窗口内“刷新”（“隐藏刷新”），因此为AI提供了节能的高带宽和高耐久性存储器技术。

4DS首席战略官Peter Himes表示：“CPU/服务器系统和新兴的AI处理器架构可利用这种技术为大数据和神经网络应用开发更快、更节能、更高效的解决方案。这种唯一商业上可行的基于PCMO的技术，证明了下一代大数据和AI应用所需的可靠性能、速度、耐久性和能效。”

具体讲，4DS基于区域的ReRAM具有以下主要功能：基于区域、低电流密度编程、高续航能力和可扩展技术节点；响应能力强，单次写入时间极快（4.7ns），能够以DRAM速度提供低能量逐位写入；高带宽持久存储器具有高达109耐用能力，可实现高性能数据保护；动态分区的高耐久性和高保持率扇区可动态分配，数据保持时间从数小时到数天再到数月。

什么是PCMO与基于区域的接口交换？

PCMO是4DS单元的物理组成元素（镨、钙、锰和氧）以及单元的特定晶格结构，也就是所谓的钙钛矿。在这种配置中，氧原子在晶体中的物理位置和电子壳层（electronic shell）结构可支持电子电流流过。

PCMO属于接口交换ReRAM类型，其交换机制基于单元的接口特性。具体来说，整个接口区域都参与到交换中，即基于区域的交换。在由电子脉冲启动的交换过程中，氧离子进出钙钛矿晶格中的特定位置或空位。氧的存在使单元导通，被称为SET（置位）；同样，当氧气耗尽时，电流丢失，被称为RESET（复位）。

尽管过去有许多大学和公司对PCMO或其他基于区域的ReRAM进行了实验，提出了不同的接口、材料和处理方法，但到目前为止，只有4DS在开发商业上可行的PCMO ReRAM单元方面取得了进展，证明了单元的可靠性能、持久性和其他特性。这种能力有望扩展到最高密度的应用。

4DS存储器能够在高电阻状态（HRS）和低电阻状态（LRS）之间切换存储单元。然后由存储器电路读取该状态，以确定该单元在数字意义上是将被编程为“1”还是“0”。

基于区域的4DS单元既表现出极快的写入速度，又表现出长保持时间，填补了迄今为止尚未解决的存储器领域的缺口。

为应用打开方便之门

当传统的NAND闪存无法跟上工艺节点的进步时，MRAM、丝状ReRAM、PCRAM、FeRAM等技术正在努力成为下一代NV存储器。其中每一种都有其位置和用途——有些是汽车NV RAM的理想选择，有些则适用于高级节点的IoT嵌入式应用。

事实上，到目前为止，还没有看到能在速度、能量、持久性和耐力基准方面与4DS竞争的技术。据了解，4DS将于今年第四季度展示20nm单元的高精度、高密度存储器，它可采用标准晶圆厂设备简单集成到任何先进的CMOS工艺中。4DS还与比利时imec（纳米电子和数字技术的研究和创新中心）签订了一项开发协议，将在imec运行一款有1.6B存储元素（element）的20nm Mb芯片。也许，这种基于区域的PCMO ReRAM有望成为新一代AI应用的存储利器。