中国电子展：未来新型存储器技术将主导存储器市场？这其中FeRAM有什么竞争优势？
2023-05-25 30
存储器是现代信息系统关键的组件之一，已经形成主要由DRAM与NAND Flash构成的超千亿美元的市场。随着万物智联时代的到来，人工智能、智能汽车等新兴应用场景对存储提出了更高的性能要求，促使新型存储器迅速发展，影响未来存储器市场格局。存储器是半导体产业的风向标和较大细分市场，约占半导体产业的三分之一。智能时代的到来，将引起存储行业的新一轮爆发。新的存储器和存储器架构已经筹划了很长时间，但仍未被广泛采用。但是，许多业内人士认为临界点已然将近。
新型存储器是未来选择
自2019年以来，存储器成为半导体增速最快的细分行业，总体市场空间将从2019年的1110亿美元增长至2025年的1850亿美元，年复合增长率为9%。细分市场中，新型存储器市场增速最快，将从5亿美元增长到40亿美元，年复合增长率达到42%，发展潜力巨大。
存储器可以按照断电是否能保存数据分为两类。
第一类易失性存储器是以动态随机存取存储器（DRAM）和静态随机存取存储器（SRAM）代表的易失性存储器，二者均具备高读写速度。其中SRAM速度高于DRAM，但密度低于DRAM，这是因为一个DRAM存储单元仅需一个晶体管和一个小电容，而每个SRAM单元需要四到六个晶体管。其共同的缺点是容量较低且成本高，一般分别用作主存和缓存。
第二类非易失性存储器包括以NOR FLASH和NAND FLASH为代表的传统存储器和四种新型存储器。NOR FLASH的容量较小且写入速度极低，但读速较快，具备芯片内执行的特点，适合低容量、快速随机读取访问的场景；NAND FLASH的容量大成本较低，但读写速度极低，一般用于大容量的数据存储。
存储器的发展取决于应用场景的变化。
20世纪70年代起，DRAM进入商用市场，并以其极高的读写速度成为存储领域最大分支市场；功能手机出现后，迎来NOR Flash市场的爆发；进入PC时代，人们对于存储容量的需求越来越大，低成本、高容量的NAND Flash成为最佳选择。
智能化时代里，万物智联，存储行业市场空间将进一步加大，对数据存储在速度、功耗、容量、可靠性层面也将提出更高要求。而DRAM虽然速度快，但功耗大、容量低、成本高，且断电无法保存数据，使用场景受限；NOR Flash和NAND Flash读写速度低，存储密度受限于工艺制程。市场亟待能够满足新场景的存储器产品，性能有着突破性进展的新型存储器即将迎来爆发期。
过去50年中，SRAM和DRAM已经成为存储器层次结构的主力，FLASH最近几年也加入了“战场”。所有这些存储结构在往较小的几何结构缩放的过程中都存在问题，部分是因为它们都是平面结构。新的基于电阻开关的存储技术是金属层结构，消除了许多制造问题。因此，尽管我们今天可能不愿意采用它们，但它们可能是适合未来几代产品的唯一的存储技术。
目前，新型存储器主要有4种：相变存储器（PCM），铁电存储器（FeRAM），磁性存储器（MRAM），阻变存储器（ReRAM）。
什么是FeRAM？
FRAM（铁电随机存取存储器Ferroelectric RAM），也称为FeRAM。FRAM并非使用铁电材料，只是由于存储机制类似铁磁存储的滞后行为，因此得名。FRAM晶体材料的电压-电流关系具有可用于存储的特征滞后回路。
FeRAM是利用铁电薄膜的双稳态极化特性 —— 电滞回线制备的非易失性存储器，将铁电薄膜技术与集成电路工艺相结合制作铁电存储器（FeRAM），是新兴的边缘学科-集成铁电学中电引入瞩目的研究方向。
FeRAM使用了一层有铁电性的材料，取代原有的介电质，使得它也拥有非挥发性内存的功能。它以铁电物质为原材料，将微小的铁电晶体集成进电容内，通过施加电场，铁电晶体的电极在两个稳定的状态之间转换，实现数据的写入与读取。每个方向都是稳定的，即使在电场撤除后仍然保持不变，因此能将数据保存在存储扇区而无需定期更新。
FeRAM的写入次数可以高达1014次和10年的数据保存能力。在重写某个存储单元之前，FeRAM不必擦拭整个扇区，因此数据读写速度也略胜一筹。此外，FeRAM的低工作电压能够降低功耗，这对移动设备来讲是很重要的。
FRAM具有ROM（只读存储器）和RAM（随机存取器）的特点，能兼容RAM的一切功能，并且和ROM技术一样，是一种非易失性的存储器。在高速读写入、高读写耐久性、低功耗和防窜改方面具有优势。
FeRAM是一种理想的存储器，在计算机、航天航空、军工等领域具有广阔的应用前景，世界上许多大的半导体公司对此都十分重视。由于FeRAM的显著优点以及巨大的市场需求，国际展开了激烈的研究竞争。
目前在铁电存储器商业化中遇到的主要挑战是缺少低成本的与硅基CMOS工艺集成的技术，达不到批量生产的原因主要是材料和存储单元结构问题。
FRAM其存储单元基于双晶体管，双电阻器单元，单元尺寸至少是DRAM的两倍，存储密度受限，成本较高。并且它的读取是破坏性的，每次读取后必须通过后续写入来抵消，以将该位的内容恢复到其原始状态。
材料方面，目前铁电晶体材料PZT（锆钛酸铅）和SBT（钽酸锶铋）都存在疲劳退化、污染环境等问题，尚未找到完美商业化的材料。
此前受限于所用铁电物质特性的限制，该材料应用只局限于细分市场，但不久前英特尔发布的成果显示，其记录了FeRAM材料高达2纳秒的极短访问时间和10亿次循环范围内的极高写电阻（耐用性），意味着FeRAM有望作为下一代嵌入式DRAM技术的可行方案。该项业界领先技术可提供更大内存资源和低时延读写能力，用于解决从游戏到人工智能等计算应用所面临的日益复杂的问题。
将FeRAM作为eDRAM也非常有趣。FeRAM铁电存储器本身和NAND闪存一样属于非易失性存储，同时FeRAM还具备低延迟、高耐久和支持直接覆盖写入等特点，使得可以作为SRAM的一个补充，提供更大缓存容量的同时还具备断电不丢数据的特殊能力。如何利用FeRAM的这些特性还有待后续观察。
深圳电子元器件及物料采购展览会（ESSHOW）是专注于全面展示电子产品设计生产所需的各类电子元器件及物料产品的中国电子展的商业展览。
ESSHOW 中国电子展由深圳市电子商会和励展博览集团联合主办，汇集“电子+汽车+触控显示+工业制造”四大应用行业旗舰展会观众及买家资源携手华南最大的“NEPCON ASIA”、“AWC汽车工业展”、“C-T0UCH全触及显示系列展““AMTS汽车装配技术展“，160,000㎡展览面积 、3,000＋参展企业、100,000＋专业观众。
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新型存储器是未来选择
自2019年以来，存储器成为半导体增速最快的细分行业，总体市场空间将从2019年的1110亿美元增长至2025年的1850亿美元，年复合增长率为9%。细分市场中，新型存储器市场增速最快，将从5亿美元增长到40亿美元，年复合增长率达到42%，发展潜力巨大。
存储器可以按照断电是否能保存数据分为两类。
第一类易失性存储器是以动态随机存取存储器（DRAM）和静态随机存取存储器（SRAM）代表的易失性存储器，二者均具备高读写速度。其中SRAM速度高于DRAM，但密度低于DRAM，这是因为一个DRAM存储单元仅需一个晶体管和一个小电容，而每个SRAM单元需要四到六个晶体管。其共同的缺点是容量较低且成本高，一般分别用作主存和缓存。
第二类非易失性存储器包括以NOR FLASH和NAND FLASH为代表的传统存储器和四种新型存储器。NOR FLASH的容量较小且写入速度极低，但读速较快，具备芯片内执行的特点，适合低容量、快速随机读取访问的场景；NAND FLASH的容量大成本较低，但读写速度极低，一般用于大容量的数据存储。
存储器的发展取决于应用场景的变化。
20世纪70年代起，DRAM进入商用市场，并以其极高的读写速度成为存储领域最大分支市场；功能手机出现后，迎来NOR Flash市场的爆发；进入PC时代，人们对于存储容量的需求越来越大，低成本、高容量的NAND Flash成为最佳选择。
智能化时代里，万物智联，存储行业市场空间将进一步加大，对数据存储在速度、功耗、容量、可靠性层面也将提出更高要求。而DRAM虽然速度快，但功耗大、容量低、成本高，且断电无法保存数据，使用场景受限；NOR Flash和NAND Flash读写速度低，存储密度受限于工艺制程。市场亟待能够满足新场景的存储器产品，性能有着突破性进展的新型存储器即将迎来爆发期。
过去50年中，SRAM和DRAM已经成为存储器层次结构的主力，FLASH最近几年也加入了“战场”。所有这些存储结构在往较小的几何结构缩放的过程中都存在问题，部分是因为它们都是平面结构。新的基于电阻开关的存储技术是金属层结构，消除了许多制造问题。因此，尽管我们今天可能不愿意采用它们，但它们可能是适合未来几代产品的唯一的存储技术。
目前，新型存储器主要有4种：相变存储器（PCM），铁电存储器（FeRAM），磁性存储器（MRAM），阻变存储器（ReRAM）。
什么是FeRAM？
FRAM（铁电随机存取存储器Ferroelectric RAM），也称为FeRAM。FRAM并非使用铁电材料，只是由于存储机制类似铁磁存储的滞后行为，因此得名。FRAM晶体材料的电压-电流关系具有可用于存储的特征滞后回路。
FeRAM是利用铁电薄膜的双稳态极化特性 —— 电滞回线制备的非易失性存储器，将铁电薄膜技术与集成电路工艺相结合制作铁电存储器（FeRAM），是新兴的边缘学科-集成铁电学中电引入瞩目的研究方向。
FeRAM使用了一层有铁电性的材料，取代原有的介电质，使得它也拥有非挥发性内存的功能。它以铁电物质为原材料，将微小的铁电晶体集成进电容内，通过施加电场，铁电晶体的电极在两个稳定的状态之间转换，实现数据的写入与读取。每个方向都是稳定的，即使在电场撤除后仍然保持不变，因此能将数据保存在存储扇区而无需定期更新。
FeRAM的写入次数可以高达1014次和10年的数据保存能力。在重写某个存储单元之前，FeRAM不必擦拭整个扇区，因此数据读写速度也略胜一筹。此外，FeRAM的低工作电压能够降低功耗，这对移动设备来讲是很重要的。
FRAM具有ROM（只读存储器）和RAM（随机存取器）的特点，能兼容RAM的一切功能，并且和ROM技术一样，是一种非易失性的存储器。在高速读写入、高读写耐久性、低功耗和防窜改方面具有优势。
FeRAM是一种理想的存储器，在计算机、航天航空、军工等领域具有广阔的应用前景，世界上许多大的半导体公司对此都十分重视。由于FeRAM的显著优点以及巨大的市场需求，国际展开了激烈的研究竞争。
目前在铁电存储器商业化中遇到的主要挑战是缺少低成本的与硅基CMOS工艺集成的技术，达不到批量生产的原因主要是材料和存储单元结构问题。
FRAM其存储单元基于双晶体管，双电阻器单元，单元尺寸至少是DRAM的两倍，存储密度受限，成本较高。并且它的读取是破坏性的，每次读取后必须通过后续写入来抵消，以将该位的内容恢复到其原始状态。
材料方面，目前铁电晶体材料PZT（锆钛酸铅）和SBT（钽酸锶铋）都存在疲劳退化、污染环境等问题，尚未找到完美商业化的材料。
此前受限于所用铁电物质特性的限制，该材料应用只局限于细分市场，但不久前英特尔发布的成果显示，其记录了FeRAM材料高达2纳秒的极短访问时间和10亿次循环范围内的极高写电阻（耐用性），意味着FeRAM有望作为下一代嵌入式DRAM技术的可行方案。该项业界领先技术可提供更大内存资源和低时延读写能力，用于解决从游戏到人工智能等计算应用所面临的日益复杂的问题。
将FeRAM作为eDRAM也非常有趣。FeRAM铁电存储器本身和NAND闪存一样属于非易失性存储，同时FeRAM还具备低延迟、高耐久和支持直接覆盖写入等特点，使得可以作为SRAM的一个补充，提供更大缓存容量的同时还具备断电不丢数据的特殊能力。如何利用FeRAM的这些特性还有待后续观察。
深圳电子元器件及物料采购展览会（ESSHOW）是专注于全面展示电子产品设计生产所需的各类电子元器件及物料产品的中国电子展的商业展览。
ESSHOW 中国电子展由深圳市电子商会和励展博览集团联合主办，汇集“电子+汽车+触控显示+工业制造”四大应用行业旗舰展会观众及买家资源携手华南最大的“NEPCON ASIA”、“AWC汽车工业展”、“C-T0UCH全触及显示系列展““AMTS汽车装配技术展“，160,000㎡展览面积 、3,000＋参展企业、100,000＋专业观众。