當(dāng)前計算架構(gòu)的演變、制造工藝的進(jìn)步已經(jīng)很難推動芯片計算速度的發(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)訪問性能和計算性能的失衡不斷增長，從而推動了許多新型隨機(jī)存取存儲器（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。現(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對物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計算設(shè)備特別有吸引力。因?yàn)椋軐?shí)現(xiàn)比目前這類硬件上的首選存儲類內(nèi)存－NAND閃存－低得多的功耗，同時實(shí)現(xiàn)非易失性數(shù)據(jù)存儲。同時，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這個賽道中，三星已于今年三月份發(fā)售了首款MRAM產(chǎn)品，臺積電的產(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SSD的閃存控制器的支持。
和MRAM的目標(biāo)市場不同的是，ReRAM和PCRAM更有可能出現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器中，這兩種器件是存儲級內(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，這些新型存儲器的商業(yè)化正是由物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計算設(shè)備以及互聯(lián)網(wǎng)用戶產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)推動的。這類數(shù)據(jù)不斷涌現(xiàn)，預(yù)計將從2018年的大約兩個zettabyte增加到2022年的10個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)用推動的。
在數(shù)據(jù)量飆升的同時，由于傳統(tǒng)CMOS技術(shù)的限制，處理器性能的增長曲線已經(jīng)趨于平緩。在上個世紀(jì)80年代和90年代的鼎盛時期，Dennard縮放速度、摩爾定律的表現(xiàn)每年都會超過50％。但是，Dennard縮放定律已經(jīng)壽終正寢，摩爾定律則步履蹣跚。現(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)的增長速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了計算增長速度，”莫拉斯告訴記者。“因此，我們認(rèn)為行業(yè)將會推出一整套新的硬件架構(gòu)，以提高計算效率。而提高計算效率的關(guān)鍵則在于這些新型存儲器。”
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)界頂級代工廠的主要供應(yīng)商，包括英特爾、臺積電、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，在過去的半個世紀(jì)中一直推動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。現(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器件中更是可以見到這些新材料的身影。“現(xiàn)在就像是狂野的西部時代，”莫拉斯說。“人們開始使用各種材料制造芯片。”
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，這個系統(tǒng)可以在亞埃級的精度上實(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平臺出貨給了五家客戶，其中一個正式提供嵌入式MRAM產(chǎn)品的初創(chuàng)公司Spin Memory。
應(yīng)用材料公司有另一個名為Endura Impulse PVD的新平臺，使用了類似的九腔設(shè)計來制造ReRAM和PCRAM晶圓，在這個系統(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。該平臺有8個早期的客戶，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，同時也可能會出現(xiàn)一些新的存儲器供應(yīng)商。當(dāng)然，這并不是說DRAM、SRAM和NAND閃存會很快消失，這些更為成熟的技術(shù)還有很長的壽命周期。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)，我們將會看到更加多樣化的內(nèi)存技術(shù)，來應(yīng)對日益復(fù)雜和苛刻的應(yīng)用環(huán)境。