存儲器是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的風(fēng)向標(biāo)和最大細(xì)分市場，約占半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的三分之一。智能時代的到來，將引起存儲行業(yè)的新一輪爆發(fā)。新的存儲器和存儲器架構(gòu)已經(jīng)籌劃了很長時間，但仍未被廣泛采用。然而，許多業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為臨界點已然將近。

存儲器是現(xiàn)代信息系統(tǒng)最關(guān)鍵的組件之一，已經(jīng)形成主要由DRAM與NAND Flash構(gòu)成的超千億美元的市場。隨著萬物智聯(lián)時代的到來，人工智能、智能汽車等新興應(yīng)用場景對存儲提出了更高的性能要求，促使新型存儲器迅速發(fā)展，影響未來存儲器市場格局。

新型存儲器是未來選擇

據(jù)YOLE統(tǒng)計，2019年以來，存儲器成為半導(dǎo)體增速最快的細(xì)分行業(yè)，總體市場空間將從2019年的1110億美元增長至2025年的1850億美元，年復(fù)合增長率為9%。細(xì)分市場中，新型存儲器市場增速最快，將從5億美元增長到40億美元，年復(fù)合增長率達(dá)到42%，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

存儲器可以按照斷電是否能保存數(shù)據(jù)分為兩類。

· 第一類易失性存儲器是以動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）和靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM）代表的易失性存儲器，二者均具備高讀寫速度。其中SRAM速度高于DRAM，但密度低于DRAM，這是因為一個DRAM存儲單元僅需一個晶體管和一個小電容，而每個SRAM單元需要四到六個晶體管。其共同的缺點是容量較低且成本高，一般分別用作主存和緩存。

· 第二類非易失性存儲器包括以NOR FLASH和NAND FLASH為代表的傳統(tǒng)存儲器和四種新型存儲器。NOR FLASH的容量較小且寫入速度極低，但讀速較快，具備芯片內(nèi)執(zhí)行的特點，適合低容量、快速隨機讀取訪問的場景；NAND FLASH的容量大成本較低，但讀寫速度極低，一般用于大容量的數(shù)據(jù)存儲。

存儲器的發(fā)展取決于應(yīng)用場景的變化。

20世紀(jì)70年代起，DRAM進(jìn)入商用市場，并以其極高的讀寫速度成為存儲領(lǐng)域最大分支市場；功能手機出現(xiàn)后，迎來NOR Flash市場的爆發(fā)；進(jìn)入PC時代，人們對于存儲容量的需求越來越大，低成本、高容量的NAND Flash成為最佳選擇。

智能化時代里，萬物智聯(lián)，存儲行業(yè)市場空間將進(jìn)一步加大，對數(shù)據(jù)存儲在速度、功耗、容量、可靠性層面也將提出更高要求。而DRAM雖然速度快，但功耗大、容量低、成本高，且斷電無法保存數(shù)據(jù)，使用場景受限；NOR Flash和NAND Flash讀寫速度低，存儲密度受限于工藝制程。市場亟待能夠滿足新場景的存儲器產(chǎn)品，性能有著突破性進(jìn)展的新型存儲器即將迎來爆發(fā)期。

過去50年中，SRAM和DRAM已經(jīng)成為存儲器層次結(jié)構(gòu)的主力，F(xiàn)LASH最近幾年也加入了“戰(zhàn)場”。所有這些存儲結(jié)構(gòu)在往較小的幾何結(jié)構(gòu)縮放的過程中都存在問題，部分是因為它們都是平面結(jié)構(gòu)。新的基于電阻開關(guān)的存儲技術(shù)是金屬層結(jié)構(gòu)，消除了許多制造問題。因此，盡管我們今天可能不愿意采用它們，但它們可能是適合未來幾代產(chǎn)品的唯一的存儲技術(shù)。

目前，新型存儲器主要有4種：相變存儲器（PCM），鐵電存儲器（FeRAM），磁性存儲器（MRAM），阻變存儲器（ReRAM）。

什么是FeRAM？

FRAM（鐵電隨機存取存儲器Ferroelectric RAM），也稱為FeRAM。FRAM并非使用鐵電材料，只是由于存儲機制類似鐵磁存儲的滯后行為，因此得名。FRAM晶體材料的電壓-電流關(guān)系具有可用于存儲的特征滯后回路。

FeRAM是利用鐵電薄膜的雙穩(wěn)態(tài)極化特性 —— 電滯回線制備的非易失性存儲器，將鐵電薄膜技術(shù)與集成電路工藝相結(jié)合制作鐵電存儲器（FeRAM），是新興的邊緣學(xué)科-集成鐵電學(xué)中電引入矚目的研究方向。

FeRAM使用了一層有鐵電性的材料，取代原有的介電質(zhì)，使得它也擁有非揮發(fā)性內(nèi)存的功能。它以鐵電物質(zhì)為原材料，將微小的鐵電晶體集成進(jìn)電容內(nèi)，通過施加電場，鐵電晶體的電極在兩個穩(wěn)定的狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫入與讀取。每個方向都是穩(wěn)定的，即使在電場撤除后仍然保持不變，因此能將數(shù)據(jù)保存在存儲扇區(qū)而無需定期更新。

FeRAM的寫入次數(shù)可以高達(dá)1014次和10年的數(shù)據(jù)保存能力。在重寫某個存儲單元之前，F(xiàn)eRAM不必擦拭整個扇區(qū)，因此數(shù)據(jù)讀寫速度也略勝一籌。此外，F(xiàn)eRAM的低工作電壓能夠降低功耗，這對移動設(shè)備來講是很重要的。

下面的圖表解釋了PZT晶體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)通常用作典型的鐵電質(zhì)材料。在點陣中具有鋯和鈦，作為兩個穩(wěn)定點。它們可以根據(jù)外部電場在兩個點之間移動。一旦位置設(shè)定，即使在出現(xiàn)電場，它也將不會再有任何移動。頂部和底部的電極安排了一個電容器。那么，電容器劃分了底部電極電壓和極化，超越了磁滯回線。數(shù)據(jù)以“1”或“0”的形式存儲。

FRAM具有ROM（只讀存儲器）和RAM（隨機存取器）的特點，能兼容RAM的一切功能，并且和ROM技術(shù)一樣，是一種非易失性的存儲器。在高速讀寫入、高讀寫耐久性、低功耗和防竄改方面具有優(yōu)勢。

FeRAM是一種理想的存儲器，在計算機、航天航空、軍工等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，世界上許多大的半導(dǎo)體公司對此都十分重視。由于FeRAM的顯著優(yōu)點以及巨大的市場需求，國際展開了激烈的研究競爭。

目前在鐵電存儲器商業(yè)化中遇到的主要挑戰(zhàn)是缺少低成本的與硅基CMOS工藝集成的技術(shù)，達(dá)不到批量生產(chǎn)的原因主要是材料和存儲單元結(jié)構(gòu)問題。

· FRAM其存儲單元基于雙晶體管，雙電阻器單元，單元尺寸至少是DRAM的兩倍，存儲密度受限，成本較高。并且它的讀取是破壞性的，每次讀取后必須通過后續(xù)寫入來抵消，以將該位的內(nèi)容恢復(fù)到其原始狀態(tài)。

· 材料方面，目前鐵電晶體材料PZT（鋯鈦酸鉛）和SBT（鉭酸鍶鉍）都存在疲勞退化、污染環(huán)境等問題，尚未找到完美商業(yè)化的材料。

此前受限于所用鐵電物質(zhì)特性的限制，該材料應(yīng)用只局限于細(xì)分市場，但不久前英特爾發(fā)布的成果顯示，其記錄了FeRAM材料高達(dá)2納秒的極短訪問時間和10億次循環(huán)范圍內(nèi)的極高寫電阻（耐用性），意味著FeRAM有望作為下一代嵌入式DRAM技術(shù)的可行方案。該項業(yè)界領(lǐng)先技術(shù)可提供更大內(nèi)存資源和低時延讀寫能力，用于解決從游戲到人工智能等計算應(yīng)用所面臨的日益復(fù)雜的問題。

上圖右側(cè)展現(xiàn)的是英特爾研發(fā)的低延遲內(nèi)存技術(shù)：FeRAM。這種芯片將鐵元素引入芯片的制造，可以大大提高內(nèi)存芯片的讀寫速度，在2納秒完成讀寫。同時，F(xiàn)eRAM技術(shù)能夠提高內(nèi)存芯片的密度。

將FeRAM作為eDRAM也非常有趣。FeRAM鐵電存儲器本身和NAND閃存一樣屬于非易失性存儲，同時FeRAM還具備低延遲、高耐久和支持直接覆蓋寫入等特點，使得可以作為SRAM的一個補充，提供更大緩存容量的同時還具備斷電不丟數(shù)據(jù)的特殊能力。英特爾會如何利用FeRAM的這些特性還有待后續(xù)觀察。