三大类闪存做详细的介绍

    一、磁阻式内存

    由其物理特性及应用范围来看，MRAM无疑是下一代内存中最引人注目的其中一项，MRAM透过电流产生磁场，改变MRAM用来存储的最基本组件－磁性穿隧接面MTJ（Magnetic Tunneling Junction）中，上下磁性材料的磁极相对方向，来达到存储数据的目的。MRAM存储元件是由氧化铝所构成的绝缘层，并与白金、钴（Co）…等合金的微小粉末作为记忆材料，其构造则类似在HDD中的Spin Valve膜（由2层强磁性层中夹着一层非强磁性层；当2层强磁性层的磁化朝相同方向时是为0，呈现相反方向时是为1）。

    磁阻式随机内存（MRAM）的结构图，在记忆元的上下各有一层导线，用来控制单一记忆单元的翻转。（资料来源：中华民国物理学会）

    由于数据写入后，MRAM会处于恒定的物理状态，不需要像传统内存需要透过电流来维持其状态，因此，当数据一写入，就算是突然断电，0与1的状态依然能够持续维持，因此数据仍然会保存住而不会流失。在构造方面，MRAM的记忆核心只要1个MOSFET和1个存储元件（MTJ）即可构成，DRAM的记忆核心是用1个MOSFET和1个电容构成，SRAM的记忆核心则是用6个MOSFET（或4个MOSFET）和2个电阻器构成。而因为MRAM的存储元件较DRAM中的MOSFET小，因此MRAM的记忆密度将可比DRAM大。

    由于其重复写入次数可高达10的12次方，也就是1兆次以上，且读写速度可以压到50ns以下，事实上，在针对读写速度这方面，TOSHIBA与NEC在ISSCC中，发表了一款16Mbit的MRAM，操作电压为1.8V，由于这款MRAM采用了读写电路分割路径的设计，每秒读写速度可达200MB/s，每一循环时间仅34ns。而随后美国飞思卡尔（freescale）半导体已经也以35ns的速度，在该公司所举办的2006年飞思卡尔技术论坛（Freescale Technology Forum 2006；FTF 2006）中做4Mbit实品的展示。虽然目前仍比不过DRAM的速度，不过相较起传统闪存高达10ms左右的写入时间，已经算是相当惊人的突破。

    虽然MRAM的概念早从1972年就已经被提出，不过直到1992年，才由美国Honeywell公司制作成原型展示，早期MRAM的纪录方式是采用异向性磁阻（AMR）的方式制作出三层结构，以定义出磁阻比值来判读因磁阻比值不同所造成的电位变化。但是这样的设计，会造成MRAM在工艺微缩时，因为位的边际效应，使得扇区无法正常翻转，造成输出噪声提高的后果。后来在巨磁阻（GMR）以及穿隧式磁阻（TMR）等技术成功开发出来，MRAM才又有了进一步的发展。后来NEC、SONY等公司也都相继利用TMR技术，研发出新一代的MRAM，不仅在容量上得以往上提升，也进一步降低了在工艺上所遇到的困难。

    台湾在这方面的研究上，除了有大学院校所组成的台湾自旋科技研究中心以外，工研院电子所也与台积电合作发展MRAM的实用化，并且有了相当不错的成果。由于初期在工艺尚未能有较大的突破，较难生产大容量的MRAM颗粒。因此产业界可以转向先生产用于嵌入式应用的MRAM，，针对手机、游戏机、媒体播放装置等，着眼于方面的应用对于容量的需求较小。而中长期的发展，则是针对提高容量为目标，最终目标则是用以取代现有DRAM、闪存架构。

    二、铁电内存

    FeRAM（Ferroelectric Random Access Memory；铁电随机存取内存，也可称为FRAM）是利用perovskite 晶体一类的材质，诸如PZT（PbZr1-xTixO3）、SBT（SrBi2Ta2O3）的铁电特性当成工作曲线，用以制作的非挥发性内存。

    所谓铁电是指具有电滞效应（P-E hystreresis）的薄膜材料，当薄膜接受外界电压时，因内部离子的移动而产生极化现象。而这些因离子的位置的偏移所产生的电偶并不会随着电压的去除完全消失，形成所谓的残存极化。科学家发现，这些残存极化方向会随着施加电场的方向改变而改变，而不同的极化方向正好提供了我们内存所需"0" 与"1"的两种状态。与MRAM相同的，它可以避免像DRAM一样，存储在电容结构中的电荷会因为各种路径的漏电流而随着时间快速消失，而必须时常对数据进行重写（data refresh）的动作，保证数据在读取时的正确性。

    由于不需要重写的动作，功率的消耗得以大大的降低。加上薄膜的及化特性可以维持超过十年以上的时间，通过这个特性，FeRAM也同样成为下一代闪存的热门人选之一。与传统非挥发性内存相较之下，对铁电薄膜进行极化所需的电厂很低，因此也不需要非常高的操作电压即可正常进行动作，对于而由于其采用离子反应的特性，写入的动作时间可以小于100ns。FeRAM可以跟系统总线同步做写入的动作，无须任何等待的时间，而在写入寿命上，更可以达到10的16次方，相较起传统的闪存，已经算是天文数字了。

    由于FeRAM可以与传统CMO工艺兼容，因此能够相当程度的简化导入的难度。而由于其工艺温度低，因此在与传统逻辑电路方面的兼容性可以有效提高，因此FeRAM相当适合用于SoC的设计。对于应用上，除了可取代传统EEPROM以外，也非常适合应用于具有关键任务的系统暂存内存，如ATM以及POS等对信息流非常重视的系统，导入FeRAM之后，能够大幅降低数据丧失的风险。而传统SRAM不仅耗用芯片空间，功耗也难以压低，造成设计出来的芯片或是成品在耗电量上难以控制在合理范围内，FeRAM除了可以代替SRAM以外，更可以进一步替代掉SRAM与EEPROM的功能，达成在省电的前提下，以单一电路，便可拥有多重功能的目的。此外，取代应用于普遍手持式装置的PSRAM，也是将来的目标之一。

    FRAM可以有效简化SoC的设计。

    虽然FeRAM在许多理论上逊色于MRAM，在制造技术上也还没有到达成熟的阶段，有些厂商也将其视为过渡时期的方案，但仍要视厂商本身研发出的技术来决定其最终表现，目前有许多厂商针对这个领域进行研发，其中也不乏早已退出DRAM领域的厂商。比如说：TOSHIBA就在ISSCC 2006中发表了一款64Mbit FeRAM，采用130nm工艺，读写速度可达到200MB/s，工作周期为60ns，虽然速度上稍逊于MRAM，但是容量上已经远大于MRAM的任何一款试做品。

    TOSHIBA在这款FeRAM上应用了两个新技术

    (1)为了减少读取时的噪声影响并缩小电路面积－随着生产技术的不断微缩，内存单元的控制电压逐渐变小，因而容易受到噪声的影响，线路之间的间隔也越来越窄，导致来自接邻导线的干扰噪声也随之增大。因此采用了通过切换两根导线来交替工作，并利用夹于中间的导线做为屏障，降低噪声的影响。

    (2)配备高速ECC纠错功能－可以与写入同步进行ECC侦错与修正，大幅降低侦错功能所带来的写入延迟到15％的程度。

    而日本富士通也在今年5月发表了应用于FeRAM的一款新材料，相较起目前泛用的PZT材料，可以有效提升多达5倍的蓄电量，而且结晶小，有助于FeRAM集积度的进一步提升，在更小的晶格面积上达成更高的存储效率。

    以目前的发展来看，FeRAM的发展已然毫不逊色于MRAM，不仅在容量上、读写寿命上领先MRAM，连原先占劣势的写入周期也得以提升至相近的地步。

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