新一代非易失性存储技术的竞争格局

在嵌入式应用领域，新型非易失性存储器（NVM）技术正逐步取代传统闪存，尤其是在先进制程节点上。磁阻式随机存取存储器（MRAM）与阻变式随机存取存储器（RRAM）已成为最有力的继承者，而相变存储器（PCRAM）则逐渐被边缘化，只能停留在老旧工艺节点上。

与此同时，一家新兴公司正在开发一种全新的存储单元，有望挑战甚至替代DRAM；铁电随机存取存储器（FeRAM）也在蛰伏多年后展现出新的生机。

RRAM与MRAM主导竞争

RRAM与MRAM很可能长期并存：前者成本更低，后者速度更快、在极端环境下表现更佳。两者在先进制程节点上均优于嵌入式闪存，但受限于NAND闪存的成本优势，它们暂时无法撼动独立闪存的市场地位。

推动行业转向非闪存技术的一个重要原因是闪存供应日趋紧张、价格持续攀升。Everspin销售副总裁Sean Dougherty表示："HBM、DRAM和NAND都在竭力满足未来几年看似永无止境的需求。大厂们实际上已将可用产能锁定给少数头部客户，并逐步退出其他行业市场。"

三大主流竞争者

在过去几年最受关注的NVM技术中，MRAM、RRAM和PCRAM三者形成鼎足之势。MRAM由来已久，但主要服务于特定专业应用；PCRAM最初用于音乐CD，在存储器领域的发展却颇为坎坷；RRAM则凭借新颖特性正快速获得市场认可。

联华电子（UMC）区域市场营销副总裁Suhail Zain指出："MRAM常被定位用于高速、高耐久的嵌入式应用，例如持久性工作存储器。"RRAM则凭借成本优势，瞄准更广泛的系统需求，"常被用作通用嵌入式NVM，适用于物联网微控制器的固件存储或电源管理芯片（PMIC）的配置存储。"

Synopsys嵌入式存储器首席产品经理Daryl Seitzer表示，MRAM与RRAM均在加速落地，其中Nuvoton和英飞凌已推出搭载嵌入式RRAM的微控制器产品。

PCRAM则在这场竞争中日渐落后。目前尚无PCRAM移植至FinFET节点的开发动向，Seitzer表示，也未收到客户提出嵌入式PCRAM编译器的需求。英飞凌嵌入式控制器技术概念首席工程师Robert Wiesner同样确认，业界未观察到任何将PCRAM推进至FinFET节点的活动，而RRAM和MRAM的相关开发却在持续推进。

工艺节点扩展是关键因素

MRAM和RRAM能够持续向先进工艺节点演进，是其竞争优势的核心来源之一。相比之下，闪存从根本上受限于28nm节点——它依靠3D架构保持成本领先，使其在独立存储市场难以被取代。

然而，在嵌入式存储领域，情况则截然相反。Wiesner指出，将闪存集成到先进CMOS工艺中的难度自28nm节点起显著上升，在FinFET时代更是愈发棘手，"工艺复杂度大幅提升，而进一步微缩的潜力却日趋停滞。"

MRAM和RRAM均主要在半导体制造的后端工序中实现，所需的额外掩膜层相对较少，可较为顺畅地集成至现有逻辑平台。Everspin首席执行官Sanjeev Aggarwal表示，三星、台积电、格芯等晶圆代工厂均已推出嵌入式MRAM和嵌入式RRAM："客户在商业应用中倾向选择RRAM，而在注重性能与可靠性的工业及汽车场景中则更青睐MRAM。"

台积电的技术路线图已将RRAM和MRAM纳入12nm和6nm节点的支持范围。

SRAM是潜在的替代目标吗

部分行业人士认为，NVM有望替代SRAM以节省芯片面积。Dougherty指出："随着工艺节点推进，嵌入式SRAM的密度提升愈发有限，存储器持续主导芯片面积，而芯片面积意味着高昂成本。"

格芯产品管理副总裁Jamie Schaeffer表示："MRAM的读取速度虽不及SRAM，但已接近10皮秒的读取访问时间，最末级缓存或许是一个现实的目标。"

MRAM的工艺要求也颇为严苛。科林研发（Lam Research）全球产品管理高级工程总监Anish Khandekar指出，MRAM图案化通常需要离子束刻蚀来精确定义磁性堆叠，同时还受到后端热预算的严格制约，需要高度受控的低温CVD和ALD工艺。

MRAM的速度优势

MRAM目前有三种主要技术路线：最早商业化的翻转型（Toggle）MRAM、现阶段主流的自旋转移矩（STT-MRAM），以及仍处于研究阶段的自旋轨道转移（SOT）MRAM。

STT-MRAM在单元面积上优于Toggle版本，但性能与耐久性之间存在权衡，需根据具体应用进行调优。Seitzer表示，这种权衡并非工艺差异，而是"写入单元时施加力度的实现差异"。SOT-MRAM旨在解决上述取舍，但目前尚无商业产品推出，距离量产仍需数年。

Zain表示，MRAM具有极快的读写速度，适用于工作环境可控的持久性存储场景，包括航空航天和有屏蔽保护的汽车应用。Dougherty则认为，MRAM将在边缘AI领域发挥重要作用，"密度及读写性能在边缘AI嵌入式系统中至关重要。"

此外，业内对MRAM的磁场敏感性仍存在争议。Everspin坚持认为STT-MRAM天然免疫外部磁场，但英飞凌等公司仍将磁场规格视为部分应用场景中的重要考量因素。

RRAM的成本优势

RRAM主要分为两类：导电桥RAM（CBRAM）通过在介电层中形成和断开金属导电丝实现存储；氧化物RAM（OxRAM）则通过移动介电材料中的氧空位进行状态切换。目前OxRAM在这场竞争中占据主导地位，已被集成至多款微控制器产品。

Zain表示，OxRAM基于金属氧化物材料，与CMOS工艺兼容性更好，集成更为简洁，污染风险也更低；而CBRAM依赖电化学金属离子迁移，在逻辑代工厂环境中存在金属扩散、工艺窗口窄以及可靠性余量受限等挑战。此外，OxRAM在高温数据保持和宽温度范围工作方面的表现更为稳健。

RRAM的读取速度较快，但OxRAM的写入速度是其短板，"某些情况下甚至比闪存还要慢"（Aggarwal语）。不过，RRAM拥有较低的成本和更小的占用面积。Wiesner指出，RRAM工艺相对简单，仅需在BEOL（后端工序）中集成一个小电容结构，无需特殊材料或专用设备。

英飞凌已为28nm以上节点的微控制器选定RRAM方案。其与台积电联合开发的ATV RRAM，在175°C高温下数据保持时间超过1000小时，可承受25万次代码更改，读取时间为15.2纳秒，工作温度范围涵盖-40°C至160°C，各项关键指标均满足工业及汽车级要求。英飞凌同时表示，也在考虑引入MRAM替代用于数据存储的SRAM。

悄然量产的FeRAM

铁电随机存取存储器（FeRAM）已研究多年，并已在特定领域实现商业量产。FeRAM利用铁电材料的两种极化取向作为存储状态，具有极高的耐久性和极低的写入功耗。

法国原子能与可替代能源委员会电子与信息技术实验室（CEA-Leti）集成与器件工程师Laurent Grenouillet表示："如果需要持续写入并以非易失方式保存数据，FeRAM非常有吸引力，这也是它如今被用于数据记录商业产品的原因。"

FeRAM写入仅需在铁电电容两端施加电压，无需通过电流，能耗约为阻变存储器的百分之一。然而，传统PZT材料的FeRAM受工艺兼容性限制，目前最小只能制造到130nm节点，无法进一步缩小。

CEA-Leti近期报告称，已成功在22nm节点上采用氧化铪锆（HZO）材料实现FeRAM，并正在研究将薄膜厚度从7nm进一步缩减至4到5nm。HZO材料与现有CMOS工艺兼容，可通过原子层沉积（ALD）工艺制备。在20nm节点上，FeRAM的面积有望比SRAM缩小2.5倍。

此外，美光曾开展过一个32Gb FeRAM项目，将其称为NVDRAM，本质上是具有非易失性的DRAM替代方案，但目前尚未实现商业化。

全新存储单元的挑战者

初创公司Quinas开发了一种名为UltraRAM的全新存储单元，其工作原理与现有任何NVM技术均截然不同。

Quinas首席执行官James Ashford-Pook表示："UltraRAM是一种复合半导体浮栅存储器件，相当于闪存的III-V族材料版本，但采用了根本不同的电荷转移机制——通过工程化III-V族异质结构实现量子共振隧穿，而非借助介电氧化层进行隧穿。"

Quinas首席技术官Peter Hodgson介绍，该存储器包含三层AlSb势垒，将两个InAs量子阱隔开。在零电压状态下，两个量子阱的基态能级存在微小失配，电子无法在沟道与浮栅之间移动。一旦施加2.5V电压，能级对齐，电子即可通过量子共振隧穿在沟道与浮栅之间转移。

隧穿层极薄，部分仅有4个或17个原子层，量子效应主导器件行为。由于编程时注入能量极低，测试显示经过1000万次循环后未观测到性能退化；数据保持时间经保守估算也可达1万年以上。

由于该存储单元需要在III-V族晶圆代工厂制造，控制逻辑目前面临挑战。Quinas计划通过两种方式解决：一是采用独立硅控制芯片与III-V族芯片进行键合；二是在III-V族晶圆上直接开发逻辑电路。

在缩放至生产节点后，Quinas预测写入速度有望达到1纳秒（20nm节点），与DRAM相当甚至更快；预期存储单元面积为6F?，成本竞争力较强。该公司最初以DRAM替代为目标，目前也在积极探索神经形态计算与存内计算（IMC）等应用方向，并计划于2029年正式进入市场。

存储格局走向多元化

长期以来，存储器领域由DRAM、闪存和SRAM三足鼎立。但这一格局正在发生改变：搭载MRAM和RRAM的MCU产品已开始量产，PCRAM则日渐被边缘化。FeRAM的工艺扩展难题有望被HZO材料技术突破，而如能替代DRAM，则将打开更广阔的市场空间。UltraRAM虽仍处于早期阶段，但如能兑现其技术承诺，或将成为存储领域的革命性突破——答案将在未来几年逐渐揭晓。

Q&A

Q1：MRAM和RRAM在应用场景上有什么区别？

A：两者的定位有明显差异。MRAM读写速度更快、耐久性更高，尤其适用于工业、汽车、航空航天等对性能和极端环境可靠性要求较高的场景，也被看好用于边缘AI嵌入式系统。RRAM成本更低、工艺更简单，更适合物联网微控制器固件存储、电源管理芯片配置等通用嵌入式应用，并已在英飞凌等公司的商业产品中实现量产。

Q2：为什么嵌入式闪存在先进制程节点上面临挑战？

A：传统嵌入式闪存在工艺上基本被限制在28nm节点，进入FinFET时代后集成难度大幅提升，工艺复杂度增加，而微缩潜力却日趋有限。相比之下，MRAM和RRAM主要在后端工序中实现，所需额外掩膜层较少，能够更顺畅地集成至先进逻辑平台，因此在嵌入式存储领域逐步取代闪存成为主流选择。

Q3：Quinas的UltraRAM技术有什么独特之处？它什么时候能商业化？

A：UltraRAM采用III-V族复合半导体浮栅结构，通过量子共振隧穿机制实现电荷转移，与传统闪存的介电隧穿方式截然不同。其核心优势包括：极低的编程能耗、超过1000万次循环无退化的高耐久性，以及理论上可达数万年的数据保持时间。在20nm节点下预测写入速度可达1纳秒，具备与DRAM竞争的潜力。Quinas目前正在推进工艺流程和存储架构验证，计划于2029年正式推向市场。