當(dāng)前計(jì)算架構(gòu)的演變、制造工藝的進(jìn)步已經(jīng)很難推動(dòng)芯片計(jì)算速度的發(fā)展，各種新型應(yīng)用帶來的數(shù)據(jù)爆炸導(dǎo)致數(shù)據(jù)訪問性能和計(jì)算性能的失衡不斷增長(zhǎng)，從而推動(dòng)了許多新型隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）技術(shù)的發(fā)展。比較典型的新型RAM技術(shù)包括磁阻RAM（MRAM）、電阻式RAM（ReRAM）和相變RAM（PCRAM）。這些新型器件一直受到行業(yè)的廣泛關(guān)注，但是直到最近，其商業(yè)實(shí)現(xiàn)還寥寥無幾?，F(xiàn)在，得益于更先進(jìn)的制造系統(tǒng)的不斷發(fā)展，這種雷聲大雨點(diǎn)小的局面馬上就要改變了。
在這些新型RAM技術(shù)中，MRAM對(duì)物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計(jì)算設(shè)備特別有吸引力。因?yàn)?，它能?shí)現(xiàn)比目前這類硬件上的首選存儲(chǔ)類內(nèi)存－NAND閃存－低得多的功耗，同時(shí)實(shí)現(xiàn)非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。同時(shí)，MRAM本身訪問速度也相當(dāng)快，這意味著您不僅可以用它取代這類硬件設(shè)備上的閃存，還可以替換掉大部分SRAM，從而進(jìn)一步節(jié)約成本。
在MRAM這個(gè)賽道中，三星已于今年三月份發(fā)售了首款MRAM產(chǎn)品，臺(tái)積電的產(chǎn)品則正被Gyrfalcon技術(shù)公司用在其AI加速器中。還有Everspin，該家MRAM提供商的產(chǎn)品被IBM用作高容量（19TB）SSD的緩存。就在上周，Everspin宣布其MRAM產(chǎn)品得到了Sage微電子用于企業(yè)級(jí)SSD的閃存控制器的支持。
和MRAM的目標(biāo)市場(chǎng)不同的是，ReRAM和PCRAM更有可能出現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器中，這兩種器件是存儲(chǔ)級(jí)內(nèi)存的理想選擇。SCM提供了一種比NAND產(chǎn)品快得多并且比DARM更加便宜的中間存儲(chǔ)器層。英特爾的3D XPoint Optane Persistent Memory產(chǎn)品似乎使用某種相變技術(shù)，是PCRAM技術(shù)的早期應(yīng)用實(shí)例。
應(yīng)用材料公司金屬沉積產(chǎn)品副總裁凱文莫拉斯表示，這些新型存儲(chǔ)器的商業(yè)化正是由物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計(jì)算設(shè)備以及互聯(lián)網(wǎng)用戶產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)推動(dòng)的。這類數(shù)據(jù)不斷涌現(xiàn)，預(yù)計(jì)將從2018年的大約兩個(gè)zettabyte增加到2022年的10個(gè)zettabyte。從更一般的技術(shù)角度來說，這類數(shù)據(jù)需求在很大程度上是由人工智能和數(shù)據(jù)分析應(yīng)用推動(dòng)的。
在數(shù)據(jù)量飆升的同時(shí)，由于傳統(tǒng)CMOS技術(shù)的限制，處理器性能的增長(zhǎng)曲線已經(jīng)趨于平緩。在上個(gè)世紀(jì)80年代和90年代的鼎盛時(shí)期，Dennard縮放速度、摩爾定律的表現(xiàn)每年都會(huì)超過50％。但是，Dennard縮放定律已經(jīng)壽終正寢，摩爾定律則步履蹣跚?，F(xiàn)在，處理器性能的年度提升率僅為3．5％。
“由于摩爾定律的放緩，數(shù)據(jù)的增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了計(jì)算增長(zhǎng)速度，”莫拉斯告訴記者?！耙虼耍覀冋J(rèn)為行業(yè)將會(huì)推出一整套新的硬件架構(gòu)，以提高計(jì)算效率。而提高計(jì)算效率的關(guān)鍵則在于這些新型存儲(chǔ)器?！?/p>
作為全球最大的半導(dǎo)體設(shè)備制造商，應(yīng)用材料公司是許多業(yè)界頂級(jí)代工廠的主要供應(yīng)商，包括英特爾、臺(tái)積電、三星和格羅方德。此外，它還與IBM、SK海力士、Crossbar和Spin內(nèi)存等公司在產(chǎn)品開發(fā)方面進(jìn)行了合作。應(yīng)用材料公司成立于1967年，在過去的半個(gè)世紀(jì)中一直推動(dòng)并見證了摩爾定律的發(fā)展。
雖然在過去五十年中半導(dǎo)體制造材料相對(duì)而言比較穩(wěn)定，但是莫拉斯表示這種局面現(xiàn)在正在發(fā)生變化。以前，除了硅以外，只有很少種類的元素可以用于芯片制造，比如用作CMOS摻雜劑的硼?，F(xiàn)在，鍺、硒、碲、氮和過渡金屬氧化物這些元素和化合物都進(jìn)入了芯片制造領(lǐng)域，特別是在這些新型存儲(chǔ)器件中更是可以見到這些新材料的身影?！艾F(xiàn)在就像是狂野的西部時(shí)代，”莫拉斯說?！叭藗冮_始使用各種材料制造芯片?！?/p>
從根本上來說，這使得半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展從主要面臨物理上的挑戰(zhàn)向面臨物理和材料上的雙重挑戰(zhàn)而變化。這無疑會(huì)使制造過程更加復(fù)雜，需要更為精確的控制材料沉積的方法。這些新型存儲(chǔ)器要用于廣泛的商業(yè)用途，制造過程必須足夠穩(wěn)健才能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的精度和性能。
這正是應(yīng)用材料公司的用武之地。最近，該公司宣布了一系列專為大批量生產(chǎn)MRAM、PCRAM和ReRAM而設(shè)計(jì)的新系統(tǒng)，目的是幫助使得基于這些新型技術(shù)的器件更加可靠和經(jīng)濟(jì)高效。
應(yīng)用材料公司的MRAM系統(tǒng)Endura Clover MRAM PVD是一種九室設(shè)備，可控制MRAM所需的30種不同材料層的沉積。根據(jù)莫拉斯的說法，這個(gè)系統(tǒng)可以在亞埃級(jí)的精度上實(shí)現(xiàn)沉積，從而使得內(nèi)存的耐久性達(dá)到商業(yè)應(yīng)用水平。莫拉斯表示，得益于其新系統(tǒng)更為精細(xì)的沉積技術(shù)，他們將MRAM的耐久性提高了100倍。應(yīng)用材料公司把其Clover平臺(tái)出貨給了五家客戶，其中一個(gè)正式提供嵌入式MRAM產(chǎn)品的初創(chuàng)公司Spin Memory。
應(yīng)用材料公司有另一個(gè)名為Endura Impulse PVD的新平臺(tái)，使用了類似的九腔設(shè)計(jì)來制造ReRAM和PCRAM晶圓，在這個(gè)系統(tǒng)中，使用了真空沉積方案保證各層的厚度和成分的均勻性。該平臺(tái)有8個(gè)早期的客戶，包括ReRAM制造商Crossbar。
最近在新型RAM技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)展能否開啟新型RAM市場(chǎng)的騰飛還有待進(jìn)一步觀察。當(dāng)然，如果應(yīng)用材料公司制造新RAM的系統(tǒng)取得了成功，也就理所當(dāng)然地意味著市場(chǎng)上將出現(xiàn)更多使用了這些替代性的新型RAM器件的設(shè)備，同時(shí)也可能會(huì)出現(xiàn)一些新的存儲(chǔ)器供應(yīng)商。當(dāng)然，這并不是說DRAM、SRAM和NAND閃存會(huì)很快消失，這些更為成熟的技術(shù)還有很長(zhǎng)的壽命周期。但是，就像曾經(jīng)發(fā)生在處理器領(lǐng)域的事情那樣，在未來幾年內(nèi)，我們將會(huì)看到更加多樣化的內(nèi)存技術(shù)，來應(yīng)對(duì)日益復(fù)雜和苛刻的應(yīng)用環(huán)境。