非易失性存儲器以許多不同的形式存在。圖1所示為隨時間演變的各種非易失性存儲器類型。

由于應用需求的推動,非易失性存儲器技術發展非常迅速。以前許多應用只需存儲少量啟動代碼即可,而現在的應用卻需要存儲千兆字節(GB)的音樂和視頻數據,也因此為非易失性存儲器的發展帶來革命性的變化。非易失性存儲器起源于簡單的掩膜只讀存儲器(ROM),隨后演變成PROM,再后來成為EPROM。而1988年英特爾公布了快速隨機存取的NOR閃存。盡管EPROM技術已經有了10多年的歷史,成熟度也大為完善,NOR閃存還是迅速占領了EPROM的內存接口市場。而NAND閃存比NOR技術更早,已經有20多年歷史了。最初,NAND閃存的年度發貨量增幅緩慢,后期則成為市場上炙手可熱的產品,其在市場上取得的成功主要歸功于它獨特的特點。

從讀取和寫入的角度來看,易失性存儲器通常都是非常快速的,而非易失性性存儲器的寫入一般較為緩慢；非易失性存儲器還在寫入上存在著固有的局限性,在一定次數的寫入操作后,存儲器會達到自己的承受極限而出現故障。而理想的存儲器應當具備非易失性以及與SRAM類似的存取速度,同時沒有讀取/寫入限制,以及只消耗非常少的功率,這正是推動最新一代非易失性存儲器快速發展的因素。

沒有任何一款新存儲器能夠在所有領域都取得優勢,但這些存儲器均在存儲器特性的某些重要方面取得了關鍵性的進步。nvSRAM、FRAM等產品正在朝此方向努力。

nvSRAM

無需電池的nvSRAM能夠在下電/掉電后在內部存儲數據,完全適合要求進行連續高速寫入數據以及具備高可靠非易失性的應用。與nvSRAM相比,FRAM的主要優勢在于它在給定陣列密度和制造光蝕刻工藝下具有較小的封裝尺寸,不過目前nvSRAM領先的是已開發出4Mb的nvSRAM器件。nvSRAM將比需要電池的存儲器更具競爭力,而且需要電池的存儲器在可靠性以及RoHS達標方面存在著重大的問題。通過賽普拉斯與Simtek的合作,在130nm CMOS制程中加入了一個SONOS制程模塊,從而使其能生產超過4Mb的nvSRAM產品。此外,還可以讓SONOS應用于各種混合信號和SoC產品中。這將使nvSRAM存儲器從低容量應用產品轉變一種大容量的高端存儲器,并在工業和計算應用中贏得顯著的設計成果。

FRAM

FRAM是nvSRAM的主要競爭對手,其采用了將DRAM電容器介電材料更換成鐵電材料的概念:既可以采用鈣鈦晶體,例如PZT(鋯鈦酸鉛),也可以采用層狀鈣鈦材料,例如,SBT(鋯鈦酸鋇)。

MRAM

MRAM代表磁性隨機存儲器,將磁性器件與標準的硅片微電子線路結合起來以獲得非易失性、無限讀取和寫入耐久性的整體特性。

PRAM

PRAM存儲器的工作原理是采用了特定材料屬性的改變,即能夠通過加熱從晶態轉變成非晶態。

表1提供了不同非易失性存儲器技術的對比。

表1:不同非易失性存儲器技術的對比。

nvSRAM采用了每個存儲單元內1個非易失位與1個快速SRAM位一對一配對的工作原理,在系統運行時,集成電路的的狀態也與標準快速SRAM完全一致,并能夠與現有的微處理器和微控制器輕松對接。存儲器能夠檢測到集成電路供電中斷或消失,并利用存儲在電容內的能量來執行一次快速的陣列寫入操作(不到13ms)將每一個SRAM位存入到非易失部分。這樣就能在供電恢復后從非易失部分向SRAM部分自動恢復數據。nvSRAM體系架構允許進行無限次的讀取/寫入而且存取時間可以縮短到15ns。產品在各領域規定溫度范圍(通信、工業、軍用,等等)的數據保存額定期限均超過20年。這樣就無需在系統設計時采用不可靠的電池,并同時確保了最小的占用空間和最低的材料成本。

圖1:非易失性存儲器類型及其演變。

作者:Ritesh Mastipuram

   NVM部門產品經理

  Rajesh Manapat

   NVM部門主管

   賽普拉斯半導體公司