跟着超大规模集成电路工艺的开展，人类现已进入了超深亚微米年代。先进的工艺使得人们能够把包含处理器、存储器、模仿电路、接口逻辑甚至射频电路集成到一个大规模的芯片上，构成所谓的SoC(片上体系)。作为SoC重要组成部分的嵌入式存储器，在SoC中所占的比重(面积)将逐步增大。
近期台积电技能长孙元成在其自家技能论坛中，初次揭天台积电研制多年的eMRAM(嵌入式磁阻式随机存取存储)和eRRAM(嵌入式电阻式存储器)将别离订于明后年进行风险性试产。估计试产首要选用22nm工艺。这种次代代存储将能够为物联网、举动设备、高速运算电脑和智能轿车等四范畴所供给效能更快和耗电更低的存储效能。台积电此举让嵌入式存储器再度回到人们的视野中。本文将为你论述嵌入式存储器的宿世此生。
何为嵌入式存储器
嵌入式存储器现在现已不是一个新的概念了。相关于片外存储器，嵌入式存储器是指集成在片内与体系中各个逻辑、混合信号等IP一起组成单一芯片中的存储器。现现已成为SOC芯片的根本组成部分，简直今日每个SOC芯片中嵌入式存储器都占有必定比重。
依照掉电后数据是否会丢掉，可将嵌入式存储器分为两大类，一类是挥发性存储器，另一类则对错挥发性存储器。挥发性存储器是指掉电后数据会丢掉，首要包含速度快、功耗低的SRAM和高密度的DRAM。而非挥发性存储器则刚好相反，其在实践使用中首要包含eFlash、EEPROM以及eMRAM、eRRAM、ePRAM等次代代存储器。
尽管都是存储器，但二者仍是有少许不同。嵌入式存储器和分立式存储器最重要的不同之处在于嵌入式存储器往往跟使用IC本身的工艺特性条件有很大联系，比方用90nm和用45nm工艺做出来的芯片，其内部嵌入式存储器巨细不同也是很大的。而分立式存储器材则首要环绕存储器器材工艺进行优化。
跟着信息技能的开展，嵌入式存储器在SOC中的面积所占比重也在逐年添加，从图一能够看出，从1999年平均的20%上升到2007年的60-70%甚至2014年的90%的面积。能够看出，嵌入式存储器关于芯片体系功能的影响越来越大。
图一 嵌入式存储器在SOC中所占芯片面积的比重。
嵌入式存储器开展进程
早在上世纪六七十年代，那时的半导体职业首要由IDM占有，每个公司从芯片规划、制作到封装都自己做。各家都是独立开发自己的工艺、IP和相关芯片。
前期人们关于体系的要求包含集成度、速度、功耗都不高，因而分立式存储器在那时占有干流方位，成为各使用厂家的首选。
后来到了上世纪八九十年代，fabless和foundry方式开端出现，依据规划的复杂性以及产品规划周期两方面考虑，开端出现第三方的独立IP供货商，如ARM公司。
跟着芯片集成度的不断进步，反过来给分立存储器带来了两大应战：1)集成度和工艺开端答应片内集成更多的存储器;2)存储器的速度开展远远落后于MPU的速度，MPU速度以每年60%在生长，而存储器只要10%。二者速度之间添加的差异，如图二所示。
图二 MPU于DRAM随年代变迁而开展的联系图
一起片内存储器具有灵敏简略的接口、更低推迟和更宽总线，更为重要的是还能节约体系的空间巨细，使得它日益遭到集成电路规划师的喜爱。在这一时期嵌入式存储器首要以SRAM和DRAM两种方式出现。
到了九十年代中期，Intel做了一项严重立异，将片外高速缓冲器(Cache)集成到了片内。这直接导致其时一大批分立的片外高速缓冲存储器厂商关闭，成为嵌入式存储器代替分立式存储器的标志性事情。
到了今日一颗手机处理器超越90%的面积由各种嵌入式SRAM如寄存器堆，一二级缓存甚至三级缓存组成，嵌入式SRAM也成为晶圆代工厂的工艺技能衡量目标。因为SRAM由六个晶体管组成，而DRAM只要一个晶体管加一个电容组成，具有面积优势，其时许多厂商其实都在考虑将DRAM嵌入到体系的可能性。
九十年代，其时IBM，Toshiba等大公司都在测验开发嵌入式DRAM。但开发并不顺畅，开发的难点在于DRAM工艺与惯例逻辑工艺差异很大，工艺的整合难度相当大。尽管到今日，跟着工艺的前进，使得一些公司像TSMC也在从头审视eDRAM的可行性，并有部分效果，可是干流的规划仍是没有将eDRAM归入必备选项。
后来跟着消费类电子大幅生长，不断扩大的存储需求影响着嵌入式闪存(eFlash)不断开展。从前期，规划人员将程序简略固化在ROM中，到后来的OTP，EEPROM甚至现在很火的高密度eFlash内存。嵌入式内存能够有用存储代码和数据，并且掉电后还不丢掉，对许多使用都有重要意义。
但是走到今日，现有存储技能露出的一些缺点，比方SRAM、DRAM的问题在于其易失性，断电后信息会丢掉且易受电磁辐射搅扰，这一缺点极大约束了其在国防航空航天等一系列要害高科技范畴的使用。而FLASH、EEPROM的写入速度慢，且写入算法比较复杂，无法满意实时处理体系中高速、高可靠性写入的要求，且功耗较高，无法满意嵌入式使用的低功耗要求。
新式存储器摩拳擦掌
关于现有信息存储产品的功能有了更高要求，迫切需求在存储资料和技能方面获得打破。在这些需求的驱动下，相继出现了一些新式非易失存储器，如铁电存储器(FRAM)、相变存储器(PRAM)、磁存储器(MRAM)、阻变存储器(RRAM)。尽管说这些是新式存储器，但从某个视点看，这些存储器现已存在有一段日子了。
(1)铁电存储器(FRAM)
铁电存储器是一种掉电后信息不丢掉的非易失存储器，具有高速、高密度、低功耗和抗辐射等长处。其中心根底是铁电晶体资料，选用铁电效应作为其电荷存储机制，一起具有随机存取存储器(RAM)和非易失性存储产品的特性。其结构图如下图所示。FRAM的作业原理是使用金属-铁电-半导体场效应晶体管结构，铁电薄膜用来代替MOS管中的栅极氧化硅层，铁电薄膜坚持着两个安稳的极化状况，别离表明“1”和“0”。
图三 FRAM结构剖面图
(2)磁性存储器(MRAM)
MRAM是使用资料的磁场随磁场的效果而改动的原理所制成。使用磁存储单元磁性地道结(MTJ)的隧穿磁电阻效应来进行存储。
如下图四所示，MTJ有三层，最上层为自在层，中心是地道结，下面是固定层。自在层的磁场极化方向是能够改动的，而固定层的磁场方向固定不变。当自在层与固定层的磁场平行时，存储单元出现低阻态;当磁场方向相反时，存储单元出现高阻态。MRAM经过检测存储单元电阻的凹凸，来判别所存数据是0仍是1。
图四 MJT结构示意图
(3)相变存储器(PRAM)
PRAM的存储原理是使用某些薄膜合金的结构结构相变存储0和1的信息。一般这些合金具有两种安稳状况：具有低电阻的多晶状况和具有高电阻的无定形状况。PRAM使用硫系玻璃资料，使用硫族资料的电致相变特性，其在晶体和非晶体状况出现不同的电阻特性。当被加热时呈晶体状，为1状况;当冷却为非晶体时，为0状况。经过改动流过该晶体的电流就能够完成这两种状况的转化。
(4)阻变式存储器(RRAM)
RRAM的原理是经过特定的薄膜资料的电阻值在不同电压下出现的电阻值不同来区别0和1的值。RRAM的存储单元具有简略的金属/阻变存储层/金属(MIM)三明治结构如图六所示。
图五 RRAM器材结构图
哪种存储会是未来的挑选?
FRAM的读写速度首要取决于铁电资料的极化回转特性，依据现在理论极化回转速度可到达皮秒量级。
MRAM使用磁性存储数据，容量本钱低，具有低功耗、高速存取、无限次读写、抗辐射能力强等长处，在军事、航空航天、移动通讯等范畴的使用有很大优势。
PRAM被认为是FLASH和DRAM的代替者，读写速度是一般闪存的30倍，一起其擦写寿数也是闪存的10倍。PRAM的最大长处是高效能和低耗电。
RRAM具有与CMOS工艺兼容性好、低功耗、易于随先进工艺微缩等长处遭到广泛重视。总结这几种新式存储器优缺点如下表所示。
表一 几种存储器功能比照
新式存储器应战
FRAM现在作为新式存储器的首要问题是铁电薄膜资料。未来开展需求处理的首要难题：一是选用3D结构缩小单元面积进步集成度;二是进步铁电薄膜特性。
RRAM仍是一项前沿的研究课题，现在还首要停留在实验室阶段。未来资料的寻觅仍然是RRAM面临的首要问题。
而台积电未来挑选先出产的MRAM和PRAM也会遇到应战。MRAM的首要问题在于其昂扬的制作本钱。其次MRAM依托磁性存储资料，磁场会对周围的芯片产生怎样的影响需求细心考虑。
而PRAM的最大问题是本钱和容量。现在PRAM的单位容量本钱仍是比NAND高不少。发热关于PRAM而言是个大问题，因为PRAM需求加热电阻式资料产生相变，跟着工艺越来月先进，单元变得越来越精密，关于加热元件的操控要求也将越来越高，那发热带来的影响也将加大。发热和耗电可能会限制PRAM的进一步开展。
嵌入式存储器未来
嵌入式存储器具有大容量集成的优势，是SOC的重要组成部分，具有重要的立异性和实用性。何种嵌入式存储器将获得终究的成功，取决于多方面的要素：能否与规范CMOS工艺兼容，在不断添加复杂性的工艺过程的根底上，完成大容量的片上集成，然后进步其性价比;能否跟着工艺的开展缩小尺度，处理超深亚微米工艺的延续性和扩展性问题，这是一切选用电容结构存储信息的存储器面临的一起应战;能否满意片上其他高速逻辑的带宽需求，构成带宽均衡、安稳简练的集成体系;精确的商场定位，坚持量产。
总而言之每项技能的开展都有其机会与应战。而无惧应战勇于立异的企业终究将赢得商场。
