當一種新的技術出現的時候，人們很容易想到“取代”二字。是否新的技術出來勢必將會對現有的技術進行全盤的否定呢？具體到儲存領域而言，是否說有朝一日某種還在實驗室的儲存技術將一統今日紛亂的記憶體市場？傳說中的通用型記憶體是否會出現？在FRAM、MRAM和PRAM三者中誰能勝出？
一面是FLASH、DRAM等大行其道；一面是CMOS緊跟摩爾定律向更深次微米階段發展，在這樣的情況之下一個潛在的問題慢慢浮現，那就是儲存技術的物理極限問題。隨著製程技術的演進，目前主導儲存市場幾十年的3種記憶體技術——DRAM、EEPROM、SRAM將臨近它們的基本物理極限，再繼續發展都顯得很艱難。DRAM電容變得異常的高和薄；為了延伸多晶到多晶介質，快閃記憶體必須選用高K值的材料；SRAM則隨著製程的演進開始面臨信雜比和軟故障率方面的挑戰。新的設計嘗試性價比都將越來越低，於是新的儲存技術被關注。
當一種新的技術出現的時候，人們很容易想到“取代”二字。是否新的技術出來勢必將會對現有的技術進行全盤的否定呢？具體到儲存領域而言，是否說有朝一日某種還在實驗室的儲存技術將一統今日紛亂的記憶體市場？傳說中的通用型記憶體是否會出現？FRAM（Ferroelectric Random Access Memories，以下簡稱鐵電RAM）、MRAM（Magnetoresistive Random Access Memory，以下簡稱磁阻RAM）和PRAM（以下簡稱相變RAM）是最近比較熱門的新興儲存技術話題。這位“通用型記憶體”是否會出自這三位其中之一？
FRAM——兼具RAM與ROM優勢於一身的新銳
目前主流的半導體記憶體可以分為揮發性和非揮發性兩類。兩者分別有掉電即失去資料和讀寫速度慢的缺點。FRAM採用鐵電晶體材料（通常為氧化物），可以不需外界電場就能永久地改變電偶極矩(衡量極性分子極性角度的一個指標)。並且，FRAM產品還具有RAM和ROM兩者的優點，讀寫速度快並可以像非揮發性記憶體一樣使用。
圖片來源Ramtron International
其工作原理是利用鐵電晶體的鐵電效應實現資料儲存，鐵電晶體的結構如圖1所示。鐵電效應是指在鐵電晶體上施加一定的電場時，晶體中心原子在電場的作用下運動，並達到一種穩定狀態；當電場從晶體移走後，中心原子會保持在原來的位置。這是由於晶體的中間層是一個高能階，中心原子在沒有獲得外部能量時不能越過高能階到達另一穩定位置，因此FRAM保持資料不需要電壓，也不需要像DRAM一樣週期性刷新。由於鐵電效應是鐵電晶體所固有的一種偏振極化特性，與電磁作用無關，所以FRAM記憶體的內容不會受到外界條件（諸如磁場因素）的影響，能夠同普通ROM記憶體一樣使用，具有非揮發性的儲存特性。
圖1：鐵電記憶體晶體結構，其中鐵電中心原子的兩個可能存在的位置用來分別表示0和1
FRAM保存資料不是透過電容上的電荷，而是由儲存單元電容中鐵電晶體的中心原子位置進行記錄。實際的讀操作過程是：在儲存單元電容上施加一已知電場（即對電容充電），如果原來晶體中心原子的位置與所施加的電場方向使中心原子要達到的位置相同，中心原子不會移動；若相反，則中心原子將越過晶體中間層的高能階到達另一位置，在充電波形上就會出現一個尖峰，即產生原子移動的比沒有產生移動的多了一個類峰。把這個充電波形同參考電位（確定且已知）的充電波形進行比較，便可以判斷檢測的儲存單元中的內容是1還是0。讀/寫操作十分類似，只要施加所要的方向的電場改變鐵電晶體的狀態就可以了，而無需進行恢復。所以，FRAM的寫操作與其他非揮發性記憶體的寫操作相比，速度要快得多，而且功耗小。
不過雖然FRAM沒有像EEPROM那樣的最大寫入次數限制，但是由於鐵電晶體的固有特性制約，其存取次數是有限的。超出限度，FRAM就不再具有非揮發性。Ramtron International公司（FRAM的開創者）給出的最大存取次數是100億次，但是要說明的是，並不是說在超過這個次數之後，FRAM就會報廢，而是它僅僅沒有了非揮發性，但它仍可像普通RAM一樣使用。
所以就目前FRAM與主流的記憶體來比較的話，FRAM很可能成為EEPROM的替代者，與SRAM相比也更具設計上的性價比優勢。只是DRAM由於其密度與價格比優過FRAM所以不會產生直接的競爭。至於Flash，則要期待製程技術進入65 nm之後兩者再見分曉了。就目前來說，Flash仍然具有很高的性價比優勢。
“嵌入式FRAM在需要低功耗非揮發性記憶體的地方很有用處。”德州儀器的FRAM專案經理Ted Moise表示，“與現有產品相比，它以更加簡單的方式嵌入，而且具有更好的性能。”
MRAM——最具市場潛力的“夾心餅乾”
MRAM顧名思義即是通過磁性原理來儲存資料。MRAM記憶體是一種類似“夾心餅乾”的結構，包括一個鉸接磁層、一個氧化物隧道層和一個自由磁層。它可以使用TMR（隧道型磁電阻）磁性體單元來儲存資料。利用電阻隨磁化方向而變化的原理記錄資料，並通過隧道效應擴大電阻值的差別。用磁性材料儲存的好處是顯而易見的，那就是它是非揮發性的，而且不需要刷新、回寫。說句題外話，TMR技術也有可能用在未來硬碟的磁頭中。
圖2：MRAM的工作原理架構圖
與現有的Flash、SRAM、DRAM相比，MRAM由於擁有存取速度高、存取次數多、耗電量低及小體積、可嵌入，不會隨著時間的推移而丟失資料等特性，較現有的其他儲存產品在可攜式電子產品的應用上更具優勢。
首先，由於MRAM是非揮發性的，所以完全斷電後，它會保留資料。由於不需要背景刷新，能夠在非啟動狀態下關閉MRAM。與DRAM相比，這可以大幅降低系統功耗。MRAM易於整合，能夠更加輕鬆地嵌入系統中去。與SRAM相比，因為MRAM的單元尺寸更小，所以MRAM將在成本競爭上處於優勢。MRAM還是非揮發性的，而對於SRAM而言，只有比較複雜和昂貴的電池備份解決方案才能實現這一點。與快閃記憶體相比，MRAM的寫入性能更佳，因為它的穿遂模式不要求高電壓，並且MRAM的寫入速度相當快。MRAM在寫入週期中消耗的電流更少，寫入每個資料位元所需的功耗比快閃記憶體低幾個數量級。
另一項MRAM的優點是其耐久性是無限的，沒有明顯的或預計的磨損機制，而典型快閃記憶體的耐久性僅為105個寫入週期。因此不難理解，有些人甚至將MRAM當作最有可能成為“通用型”記憶體的候選人。然而在儲存市場的單位比特的成本廝殺如此激烈的今天，MRAM高昂的成本依然是個不小的障礙。另外，據飛思卡爾稱，MRAM面臨一個最大障礙是它需要大量的電流來轉換單元的磁極化。因此，寫入時需要特別大的驅動器電晶體。尚未解決的問題之一是縮小這個驅動器電晶體的尺寸。
PRAM——速度比NOR快閃記憶體快了30倍的新秀
PRAM在商業潛力上面可以說是僅次於MRAM的，目前雄踞半導體市場一二位的Intel和三星半導體都是該技術的大力擁護者。
圖3：三星發佈的512 MB PRAM，採用40 nm製程
PRAM通常使用摻雜了碲化銻或碲化鍺的硫族化合物來製造，其原理與可燒錄DVD一樣，非揮發性相變記憶體的單元會從非晶態轉化到晶體狀態。DVD使用雷射器來加熱材料，以便它在非晶態和晶體狀態之間進行切換，並讀出由此導致的反射率變化。在晶片中，這項工作由電流來完成：透過加熱一個由摻雜硫族化合物組成的薄膜，該電流可以使儲存單元在阻性非晶態(或稱為重置模式)和導性晶體狀態(或稱為置位元狀態)這兩種狀態下進行切換。
目前電子設備廣泛使用的非揮發性快閃記憶體主要有NOR與NAND兩種，NOR快閃記憶體適合於代碼儲存，但是其造價昂貴；NAND快閃記憶體則容易大規模製造，比較適合於大量檔的儲存。而PRAM快閃記憶體則是集兩者之長於一身的產品。它採用垂直二極體與三維電晶體結構，體積更小，並且在儲存新資料的時候不需要對舊資料進行擦除操作，因此其資料寫入的速度據稱可達到NOR快閃記憶體的30倍。然而畢竟PRAM比起前面兩者來講，尚處於研發階段，無論其耐久性、單元漏泄、可靠性都還是未知。而根據Intel公司的說法，PRAM在成本方面也存在著一定的問題，因此PRAM離商用普及尚不如前兩者。
結語
其實3種記憶體都有其各自的特點，並可應用於不同的應用，因此只能說在某些應用領域會出現重疊。而業界之前所謂的“通用型處理器”大概只能是“懶人們”的一種異想天開。不過，也正是因為有了這些異想天開的想法才有了對新技術的孜孜不倦地追尋。隨著對製程技術的不斷深入，無論是關注現有主流儲存技術的發展，還是留意那些長久以來一直在進行同類通用記憶體技術的研究以及回應都將是一件非常有趣的事。
一面是FLASH、DRAM等大行其道；一面是CMOS緊跟摩爾定律向更深次微米階段發展，在這樣的情況之下一個潛在的問題慢慢浮現，那就是儲存技術的物理極限問題。隨著製程技術的演進，目前主導儲存市場幾十年的3種記憶體技術——DRAM、EEPROM、SRAM將臨近它們的基本物理極限，再繼續發展都顯得很艱難。DRAM電容變得異常的高和薄；為了延伸多晶到多晶介質，快閃記憶體必須選用高K值的材料；SRAM則隨著製程的演進開始面臨信雜比和軟故障率方面的挑戰。新的設計嘗試性價比都將越來越低，於是新的儲存技術被關注。
當一種新的技術出現的時候，人們很容易想到“取代”二字。是否新的技術出來勢必將會對現有的技術進行全盤的否定呢？具體到儲存領域而言，是否說有朝一日某種還在實驗室的儲存技術將一統今日紛亂的記憶體市場？傳說中的通用型記憶體是否會出現？FRAM（Ferroelectric Random Access Memories，以下簡稱鐵電RAM）、MRAM（Magnetoresistive Random Access Memory，以下簡稱磁阻RAM）和PRAM（以下簡稱相變RAM）是最近比較熱門的新興儲存技術話題。這位“通用型記憶體”是否會出自這三位其中之一？
FRAM——兼具RAM與ROM優勢於一身的新銳
目前主流的半導體記憶體可以分為揮發性和非揮發性兩類。兩者分別有掉電即失去資料和讀寫速度慢的缺點。FRAM採用鐵電晶體材料（通常為氧化物），可以不需外界電場就能永久地改變電偶極矩(衡量極性分子極性角度的一個指標)。並且，FRAM產品還具有RAM和ROM兩者的優點，讀寫速度快並可以像非揮發性記憶體一樣使用。
圖片來源Ramtron International
其工作原理是利用鐵電晶體的鐵電效應實現資料儲存，鐵電晶體的結構如圖1所示。鐵電效應是指在鐵電晶體上施加一定的電場時，晶體中心原子在電場的作用下運動，並達到一種穩定狀態；當電場從晶體移走後，中心原子會保持在原來的位置。這是由於晶體的中間層是一個高能階，中心原子在沒有獲得外部能量時不能越過高能階到達另一穩定位置，因此FRAM保持資料不需要電壓，也不需要像DRAM一樣週期性刷新。由於鐵電效應是鐵電晶體所固有的一種偏振極化特性，與電磁作用無關，所以FRAM記憶體的內容不會受到外界條件（諸如磁場因素）的影響，能夠同普通ROM記憶體一樣使用，具有非揮發性的儲存特性。
圖1：鐵電記憶體晶體結構，其中鐵電中心原子的兩個可能存在的位置用來分別表示0和1
FRAM保存資料不是透過電容上的電荷，而是由儲存單元電容中鐵電晶體的中心原子位置進行記錄。實際的讀操作過程是：在儲存單元電容上施加一已知電場（即對電容充電），如果原來晶體中心原子的位置與所施加的電場方向使中心原子要達到的位置相同，中心原子不會移動；若相反，則中心原子將越過晶體中間層的高能階到達另一位置，在充電波形上就會出現一個尖峰，即產生原子移動的比沒有產生移動的多了一個類峰。把這個充電波形同參考電位（確定且已知）的充電波形進行比較，便可以判斷檢測的儲存單元中的內容是1還是0。讀/寫操作十分類似，只要施加所要的方向的電場改變鐵電晶體的狀態就可以了，而無需進行恢復。所以，FRAM的寫操作與其他非揮發性記憶體的寫操作相比，速度要快得多，而且功耗小。
不過雖然FRAM沒有像EEPROM那樣的最大寫入次數限制，但是由於鐵電晶體的固有特性制約，其存取次數是有限的。超出限度，FRAM就不再具有非揮發性。Ramtron International公司（FRAM的開創者）給出的最大存取次數是100億次，但是要說明的是，並不是說在超過這個次數之後，FRAM就會報廢，而是它僅僅沒有了非揮發性，但它仍可像普通RAM一樣使用。
所以就目前FRAM與主流的記憶體來比較的話，FRAM很可能成為EEPROM的替代者，與SRAM相比也更具設計上的性價比優勢。只是DRAM由於其密度與價格比優過FRAM所以不會產生直接的競爭。至於Flash，則要期待製程技術進入65 nm之後兩者再見分曉了。就目前來說，Flash仍然具有很高的性價比優勢。
“嵌入式FRAM在需要低功耗非揮發性記憶體的地方很有用處。”德州儀器的FRAM專案經理Ted Moise表示，“與現有產品相比，它以更加簡單的方式嵌入，而且具有更好的性能。”
MRAM——最具市場潛力的“夾心餅乾”
MRAM顧名思義即是通過磁性原理來儲存資料。MRAM記憶體是一種類似“夾心餅乾”的結構，包括一個鉸接磁層、一個氧化物隧道層和一個自由磁層。它可以使用TMR（隧道型磁電阻）磁性體單元來儲存資料。利用電阻隨磁化方向而變化的原理記錄資料，並通過隧道效應擴大電阻值的差別。用磁性材料儲存的好處是顯而易見的，那就是它是非揮發性的，而且不需要刷新、回寫。說句題外話，TMR技術也有可能用在未來硬碟的磁頭中。
圖2：MRAM的工作原理架構圖
與現有的Flash、SRAM、DRAM相比，MRAM由於擁有存取速度高、存取次數多、耗電量低及小體積、可嵌入，不會隨著時間的推移而丟失資料等特性，較現有的其他儲存產品在可攜式電子產品的應用上更具優勢。
首先，由於MRAM是非揮發性的，所以完全斷電後，它會保留資料。由於不需要背景刷新，能夠在非啟動狀態下關閉MRAM。與DRAM相比，這可以大幅降低系統功耗。MRAM易於整合，能夠更加輕鬆地嵌入系統中去。與SRAM相比，因為MRAM的單元尺寸更小，所以MRAM將在成本競爭上處於優勢。MRAM還是非揮發性的，而對於SRAM而言，只有比較複雜和昂貴的電池備份解決方案才能實現這一點。與快閃記憶體相比，MRAM的寫入性能更佳，因為它的穿遂模式不要求高電壓，並且MRAM的寫入速度相當快。MRAM在寫入週期中消耗的電流更少，寫入每個資料位元所需的功耗比快閃記憶體低幾個數量級。
另一項MRAM的優點是其耐久性是無限的，沒有明顯的或預計的磨損機制，而典型快閃記憶體的耐久性僅為105個寫入週期。因此不難理解，有些人甚至將MRAM當作最有可能成為“通用型”記憶體的候選人。然而在儲存市場的單位比特的成本廝殺如此激烈的今天，MRAM高昂的成本依然是個不小的障礙。另外，據飛思卡爾稱，MRAM面臨一個最大障礙是它需要大量的電流來轉換單元的磁極化。因此，寫入時需要特別大的驅動器電晶體。尚未解決的問題之一是縮小這個驅動器電晶體的尺寸。
PRAM——速度比NOR快閃記憶體快了30倍的新秀
PRAM在商業潛力上面可以說是僅次於MRAM的，目前雄踞半導體市場一二位的Intel和三星半導體都是該技術的大力擁護者。
圖3：三星發佈的512 MB PRAM，採用40 nm製程
PRAM通常使用摻雜了碲化銻或碲化鍺的硫族化合物來製造，其原理與可燒錄DVD一樣，非揮發性相變記憶體的單元會從非晶態轉化到晶體狀態。DVD使用雷射器來加熱材料，以便它在非晶態和晶體狀態之間進行切換，並讀出由此導致的反射率變化。在晶片中，這項工作由電流來完成：透過加熱一個由摻雜硫族化合物組成的薄膜，該電流可以使儲存單元在阻性非晶態(或稱為重置模式)和導性晶體狀態(或稱為置位元狀態)這兩種狀態下進行切換。
目前電子設備廣泛使用的非揮發性快閃記憶體主要有NOR與NAND兩種，NOR快閃記憶體適合於代碼儲存，但是其造價昂貴；NAND快閃記憶體則容易大規模製造，比較適合於大量檔的儲存。而PRAM快閃記憶體則是集兩者之長於一身的產品。它採用垂直二極體與三維電晶體結構，體積更小，並且在儲存新資料的時候不需要對舊資料進行擦除操作，因此其資料寫入的速度據稱可達到NOR快閃記憶體的30倍。然而畢竟PRAM比起前面兩者來講，尚處於研發階段，無論其耐久性、單元漏泄、可靠性都還是未知。而根據Intel公司的說法，PRAM在成本方面也存在著一定的問題，因此PRAM離商用普及尚不如前兩者。
結語
其實3種記憶體都有其各自的特點，並可應用於不同的應用，因此只能說在某些應用領域會出現重疊。而業界之前所謂的“通用型處理器”大概只能是“懶人們”的一種異想天開。不過，也正是因為有了這些異想天開的想法才有了對新技術的孜孜不倦地追尋。隨著對製程技術的不斷深入，無論是關注現有主流儲存技術的發展，還是留意那些長久以來一直在進行同類通用記憶體技術的研究以及回應都將是一件非常有趣的事。
