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非易失性存儲(chǔ)器以許多不同的形式存在。圖1所示為隨時(shí)間演變的各種非易失性存儲(chǔ)器類(lèi)型。

由于應(yīng)用需求的推動(dòng),非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)發(fā)展非常迅速。以前許多應(yīng)用只需存儲(chǔ)少量啟動(dòng)代碼即可,而現(xiàn)在的應(yīng)用卻需要存儲(chǔ)千兆字節(jié)(GB)的音樂(lè)和視頻數(shù)據(jù),也因此為非易失性存儲(chǔ)器的發(fā)展帶來(lái)革命性的變化。非易失性存儲(chǔ)器起源于簡(jiǎn)單的掩膜只讀存儲(chǔ)器(ROM),隨后演變成PROM,再后來(lái)成為EPROM。而1988年英特爾公布了快速隨機(jī)存取的NOR閃存。盡管EPROM技術(shù)已經(jīng)有了10多年的歷史,成熟度也大為完善,NOR閃存還是迅速占領(lǐng)了EPROM的內(nèi)存接口市場(chǎng)。而NAND閃存比NOR技術(shù)更早,已經(jīng)有20多年歷史了。最初,NAND閃存的年度發(fā)貨量增幅緩慢,后期則成為市場(chǎng)上炙手可熱的產(chǎn)品,其在市場(chǎng)上取得的成功主要?dú)w功于它獨(dú)特的特點(diǎn)。

從讀取和寫(xiě)入的角度來(lái)看,易失性存儲(chǔ)器通常都是非常快速的,而非易失性性存儲(chǔ)器的寫(xiě)入一般較為緩慢；非易失性存儲(chǔ)器還在寫(xiě)入上存在著固有的局限性,在一定次數(shù)的寫(xiě)入操作后,存儲(chǔ)器會(huì)達(dá)到自己的承受極限而出現(xiàn)故障。而理想的存儲(chǔ)器應(yīng)當(dāng)具備非易失性以及與SRAM類(lèi)似的存取速度,同時(shí)沒(méi)有讀取/寫(xiě)入限制,以及只消耗非常少的功率,這正是推動(dòng)最新一代非易失性存儲(chǔ)器快速發(fā)展的因素。

沒(méi)有任何一款新存儲(chǔ)器能夠在所有領(lǐng)域都取得優(yōu)勢(shì),但這些存儲(chǔ)器均在存儲(chǔ)器特性的某些重要方面取得了關(guān)鍵性的進(jìn)步。nvSRAM、FRAM等產(chǎn)品正在朝此方向努力。

nvSRAM

無(wú)需電池的nvSRAM能夠在下電/掉電后在內(nèi)部存儲(chǔ)數(shù)據(jù),完全適合要求進(jìn)行連續(xù)高速寫(xiě)入數(shù)據(jù)以及具備高可靠非易失性的應(yīng)用。與nvSRAM相比,FRAM的主要優(yōu)勢(shì)在于它在給定陣列密度和制造光蝕刻工藝下具有較小的封裝尺寸,不過(guò)目前nvSRAM領(lǐng)先的是已開(kāi)發(fā)出4Mb的nvSRAM器件。nvSRAM將比需要電池的存儲(chǔ)器更具競(jìng)爭(zhēng)力,而且需要電池的存儲(chǔ)器在可靠性以及RoHS達(dá)標(biāo)方面存在著重大的問(wèn)題。通過(guò)賽普拉斯與Simtek的合作,在130nm CMOS制程中加入了一個(gè)SONOS制程模塊,從而使其能生產(chǎn)超過(guò)4Mb的nvSRAM產(chǎn)品。此外,還可以讓SONOS應(yīng)用于各種混合信號(hào)和SoC產(chǎn)品中。這將使nvSRAM存儲(chǔ)器從低容量應(yīng)用產(chǎn)品轉(zhuǎn)變一種大容量的高端存儲(chǔ)器,并在工業(yè)和計(jì)算應(yīng)用中贏得顯著的設(shè)計(jì)成果。

FRAM

FRAM是nvSRAM的主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手,其采用了將DRAM電容器介電材料更換成鐵電材料的概念:既可以采用鈣鈦晶體,例如PZT(鋯鈦酸鉛),也可以采用層狀鈣鈦材料,例如,SBT(鋯鈦酸鋇)。

MRAM

MRAM代表磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器,將磁性器件與標(biāo)準(zhǔn)的硅片微電子線(xiàn)路結(jié)合起來(lái)以獲得非易失性、無(wú)限讀取和寫(xiě)入耐久性的整體特性。

PRAM

PRAM存儲(chǔ)器的工作原理是采用了特定材料屬性的改變,即能夠通過(guò)加熱從晶態(tài)轉(zhuǎn)變成非晶態(tài)。

表1提供了不同非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)的對(duì)比。

表1:不同非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)的對(duì)比。

nvSRAM采用了每個(gè)存儲(chǔ)單元內(nèi)1個(gè)非易失位與1個(gè)快速SRAM位一對(duì)一配對(duì)的工作原理,在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),集成電路的的狀態(tài)也與標(biāo)準(zhǔn)快速SRAM完全一致,并能夠與現(xiàn)有的微處理器和微控制器輕松對(duì)接。存儲(chǔ)器能夠檢測(cè)到集成電路供電中斷或消失,并利用存儲(chǔ)在電容內(nèi)的能量來(lái)執(zhí)行一次快速的陣列寫(xiě)入操作(不到13ms)將每一個(gè)SRAM位存入到非易失部分。這樣就能在供電恢復(fù)后從非易失部分向SRAM部分自動(dòng)恢復(fù)數(shù)據(jù)。nvSRAM體系架構(gòu)允許進(jìn)行無(wú)限次的讀取/寫(xiě)入而且存取時(shí)間可以縮短到15ns。產(chǎn)品在各領(lǐng)域規(guī)定溫度范圍(通信、工業(yè)、軍用,等等)的數(shù)據(jù)保存額定期限均超過(guò)20年。這樣就無(wú)需在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用不可靠的電池,并同時(shí)確保了最小的占用空間和最低的材料成本。

圖1:非易失性存儲(chǔ)器類(lèi)型及其演變。

作者:Ritesh Mastipuram

   NVM部門(mén)產(chǎn)品經(jīng)理

  Rajesh Manapat

   NVM部門(mén)主管

   賽普拉斯半導(dǎo)體公司