中国电子展：未来新型存储器技术将主导存储器市场？这其中FeRAM有什么竞争优势？电子物料展|汽车电子展|电子元器件展会-行业资讯-深圳电子元器件及物料采购展览会

存储器是现代信息系统关键的组件之一，已经形成主要由DRAM与NAND Flash构成的超千亿美元的市场。随着万物智联时代的到来，人工智能、智能汽车等新兴应用场景对存储提出了更高的性能要求，促使新型存储器迅速发展，影响未来存储器市场格局。存储器是半导体产业的风向标和较大细分市场，约占半导体产业的三分之一。智能时代的到来，将引起存储行业的新一轮爆发。新的存储器和存储器架构已经筹划了很长时间，但仍未被广泛采用。但是，许多业内人士认为临界点已然将近。

新型存储器是未来选择

自2019年以来，存储器成为半导体增速最快的细分行业，总体市场空间将从2019年的1110亿美元增长至2025年的1850亿美元，年复合增长率为9%。细分市场中，新型存储器市场增速最快，将从5亿美元增长到40亿美元，年复合增长率达到42%，发展潜力巨大。

存储器可以按照断电是否能保存数据分为两类。

第一类易失性存储器是以动态随机存取存储器（DRAM）和静态随机存取存储器（SRAM）代表的易失性存储器，二者均具备高读写速度。其中SRAM速度高于DRAM，但密度低于DRAM，这是因为一个DRAM存储单元仅需一个晶体管和一个小电容，而每个SRAM单元需要四到六个晶体管。其共同的缺点是容量较低且成本高，一般分别用作主存和缓存。

第二类非易失性存储器包括以NOR FLASH和NAND FLASH为代表的传统存储器和四种新型存储器。NOR FLASH的容量较小且写入速度极低，但读速较快，具备芯片内执行的特点，适合低容量、快速随机读取访问的场景；NAND FLASH的容量大成本较低，但读写速度极低，一般用于大容量的数据存储。

存储器的发展取决于应用场景的变化。

20世纪70年代起，DRAM进入商用市场，并以其极高的读写速度成为存储领域最大分支市场；功能手机出现后，迎来NOR Flash市场的爆发；进入PC时代，人们对于存储容量的需求越来越大，低成本、高容量的NAND Flash成为最佳选择。

智能化时代里，万物智联，存储行业市场空间将进一步加大，对数据存储在速度、功耗、容量、可靠性层面也将提出更高要求。而DRAM虽然速度快，但功耗大、容量低、成本高，且断电无法保存数据，使用场景受限；NOR Flash和NAND Flash读写速度低，存储密度受限于工艺制程。市场亟待能够满足新场景的存储器产品，性能有着突破性进展的新型存储器即将迎来爆发期。

过去50年中，SRAM和DRAM已经成为存储器层次结构的主力，FLASH最近几年也加入了“战场”。所有这些存储结构在往较小的几何结构缩放的过程中都存在问题，部分是因为它们都是平面结构。新的基于电阻开关的存储技术是金属层结构，消除了许多制造问题。因此，尽管我们今天可能不愿意采用它们，但它们可能是适合未来几代产品的唯一的存储技术。

目前，新型存储器主要有4种：相变存储器（PCM），铁电存储器（FeRAM），磁性存储器（MRAM），阻变存储器（ReRAM）。

什么是FeRAM？

FRAM（铁电随机存取存储器Ferroelectric RAM），也称为FeRAM。FRAM并非使用铁电材料，只是由于存储机制类似铁磁存储的滞后行为，因此得名。FRAM晶体材料的电压-电流关系具有可用于存储的特征滞后回路。

FeRAM是利用铁电薄膜的双稳态极化特性 —— 电滞回线制备的非易失性存储器，将铁电薄膜技术与集成电路工艺相结合制作铁电存储器（FeRAM），是新兴的边缘学科-集成铁电学中电引入瞩目的研究方向。

FeRAM使用了一层有铁电性的材料，取代原有的介电质，使得它也拥有非挥发性内存的功能。它以铁电物质为原材料，将微小的铁电晶体集成进电容内，通过施加电场，铁电晶体的电极在两个稳定的状态之间转换，实现数据的写入与读取。每个方向都是稳定的，即使在电场撤除后仍然保持不变，因此能将数据保存在存储扇区而无需定期更新。

FeRAM的写入次数可以高达1014次和10年的数据保存能力。在重写某个存储单元之前，FeRAM不必擦拭整个扇区，因此数据读写速度也略胜一筹。此外，FeRAM的低工作电压能够降低功耗，这对移动设备来讲是很重要的。

FRAM具有ROM（只读存储器）和RAM（随机存取器）的特点，能兼容RAM的一切功能，并且和ROM技术一样，是一种非易失性的存储器。在高速读写入、高读写耐久性、低功耗和防窜改方面具有优势。

FeRAM是一种理想的存储器，在计算机、航天航空、军工等领域具有广阔的应用前景，世界上许多大的半导体公司对此都十分重视。由于FeRAM的显著优点以及巨大的市场需求，国际展开了激烈的研究竞争。

目前在铁电存储器商业化中遇到的主要挑战是缺少低成本的与硅基CMOS工艺集成的技术，达不到批量生产的原因主要是材料和存储单元结构问题。

FRAM其存储单元基于双晶体管，双电阻器单元，单元尺寸至少是DRAM的两倍，存储密度受限，成本较高。并且它的读取是破坏性的，每次读取后必须通过后续写入来抵消，以将该位的内容恢复到其原始状态。

材料方面，目前铁电晶体材料PZT（锆钛酸铅）和SBT（钽酸锶铋）都存在疲劳退化、污染环境等问题，尚未找到完美商业化的材料。

此前受限于所用铁电物质特性的限制，该材料应用只局限于细分市场，但不久前英特尔发布的成果显示，其记录了FeRAM材料高达2纳秒的极短访问时间和10亿次循环范围内的极高写电阻（耐用性），意味着FeRAM有望作为下一代嵌入式DRAM技术的可行方案。该项业界领先技术可提供更大内存资源和低时延读写能力，用于解决从游戏到人工智能等计算应用所面临的日益复杂的问题。

将FeRAM作为eDRAM也非常有趣。FeRAM铁电存储器本身和NAND闪存一样属于非易失性存储，同时FeRAM还具备低延迟、高耐久和支持直接覆盖写入等特点，使得可以作为SRAM的一个补充，提供更大缓存容量的同时还具备断电不丢数据的特殊能力。如何利用FeRAM的这些特性还有待后续观察。

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