1 DRAM簡介

　　DRAM（Dynamic Random Access Memory），即動態(tài)隨機(jī)存取存儲器為常見的系統(tǒng)內(nèi)存。DRAM 只能將數(shù)據(jù)保持很短的時間。為了保持?jǐn)?shù)據(jù)，DRAM使用電容存儲，所以 必須隔一段時間刷新（refresh），如果存儲單元沒有被刷新，存儲的信息就會丟失。 （關(guān)機(jī)就會丟失數(shù)據(jù)）。

　　1.1 工作原理

　　動態(tài)RAM的工作原理 動態(tài)RAM也是由許多基本存儲元按照行和列來組成的。

　　3管動態(tài)RAM的工作原理  DRAM數(shù)據(jù)線

　　3管動態(tài)RAM的基本存儲電路如下圖。在這個電路中，讀選擇線和寫選擇線是分開的，讀數(shù)據(jù)線和寫數(shù)據(jù)線也是分開的。

　　寫操作時，寫選擇線為"1"，所以Q1導(dǎo)通，要寫入的數(shù)據(jù)通過Q1送到Q2的柵極，并通過柵極電容在一定時間內(nèi)保持信息。讓我們看一下動態(tài)效果

　　讀操作時，先通過公用的預(yù)充電管Q4使讀數(shù)據(jù)線上的分布電容CD充電，當(dāng)讀選擇線為高電平有效時，Q3處于可導(dǎo)通的狀態(tài)。若原來存有"1",則Q2導(dǎo)通，讀數(shù)據(jù)線的分布電容CD通過Q3、Q2放電，此時讀得的信息為"0"，正好和原存信息相反；若原存信息為"0",則Q3盡管具備導(dǎo)通條件，但因為Q2截止，所以，CD上的電壓保持不變，因而，讀得的信息為"1"?？梢姡瑢@樣的存儲電路，讀得的信息和原來存入的信息正好相反，所以要通過讀出放大器進(jìn)行反相在送往 數(shù)據(jù)總線。

　　1.2 結(jié)構(gòu)

　　在半導(dǎo)體科技極為發(fā)達(dá)的臺灣省，內(nèi)存和顯存被統(tǒng)稱為記憶體（Memory），全名是動態(tài)隨機(jī)存取記憶體（Dynamic Random Access Memory，DRAM）?；驹砭褪抢秒娙輧?nèi)存儲電荷的多寡來代表0和1，這就是一個二進(jìn)制位元（bit），內(nèi)存的單位。

　　DRAM的結(jié)構(gòu)可謂是簡單高效，每一個bit只需要一個晶體管加一個電容。但是電容不可避免的存在漏電現(xiàn)象，如果電荷不足會導(dǎo)致數(shù)據(jù)出錯，因此電容必須被周期性的刷新（預(yù)充電），這也是DRAM的一大特點(diǎn)。而且電容的充放電需要一個過程，刷新頻率不可能無限提升（頻障），這就導(dǎo)致DRAM的頻率很容易達(dá)到上限，即便有先進(jìn)工藝的支持也收效甚微。

　　2 NAND簡介

　　NAND閃存是一種比硬盤驅(qū)動器更好的存儲方案，這在不超過4GB的低容量應(yīng)用中表現(xiàn)得猶為明顯。隨著人們持續(xù)追求功耗更低、重量更輕和性能更佳的產(chǎn)品，NAND正被證明極具吸引力。

　　2.1 工作原理

　　NAND閃存陣列分為一系列128kB的區(qū)塊（block），這些區(qū)塊是NAND器件中的可擦除實(shí)體。擦除一個區(qū)塊就是把所有的位（bit）設(shè)置為“1”（而所有字節(jié)（byte）設(shè)置為FFh）。有必要通過編程，將已擦除的位從“1”變?yōu)椤?”。的編程實(shí)體是字節(jié)（byte）。一些NOR閃存能同時執(zhí)行讀寫操作（見下圖）。雖然NAND不能同時執(zhí)行讀寫操作，它可以采用稱為“映射（shadowing）”的方法，在系統(tǒng)級實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。這種方法在個人電腦上已經(jīng)沿用多年，即將BIOS從速率較低的ROM加載到速率較高的RAM上。

　　3 SST-RAM  VS  DRAM 甚至NAND

　　當(dāng)今主流存儲器技術(shù)的末日即將來臨？一家專精「自旋轉(zhuǎn)移力矩隨機(jī)存取存儲器（spin transfer torque random access memory， STT-RAM）的美國硅谷新創(chuàng)公司 Grandis 日前發(fā)表了更新的產(chǎn)品藍(lán)圖，并宣示以這種新一代 MRAM 取代 DRAM 甚至 NAND 快閃存儲器的雄心。

　　不過有分析師指出，已被改變到某個程度的 Grandis 藍(lán)圖，意味著新存儲器技術(shù)可能會花上比預(yù)期更久的時間問世。

　　總部在加州Milpitas的 Grandis 是一家IP與元件供應(yīng)商，該公司開發(fā)的 STT-RAM 技術(shù)號稱結(jié)合了 DRAM 的成本優(yōu)勢、 SRAM 的快速讀寫性能以及快閃存儲器的非揮發(fā)性，能解決代磁場交換式 MARM 的主要缺點(diǎn)。

　　Grandis 總裁暨執(zhí)行長Farhad Tabrizi近在接受EETimes美國版編輯專訪時，對其企圖心毫不諱言：「我們正專注在將 STT-RAM 推向商業(yè)化。」他指出：「 STT-RAM 有龐大的市場潛力成為通用、可擴(kuò)展的存儲器，它能在45奈米節(jié)點(diǎn)取代嵌入式 SRAM 以及快閃存儲器，在32奈米節(jié)點(diǎn)取代DRAM，終成為NAND的替代品?！?/P>

　　但市場研究機(jī)構(gòu)Forward Insights的分析師Gregory Wong認(rèn)為，Grandis的STT-RAM雖是一種具潛力的技術(shù)，但該公司是否能達(dá)到其目標(biāo)還有待時間觀察：「STT-RAM是否能取代DRAM或NAND是一個經(jīng)濟(jì)學(xué)問題。」

　　多年來，包括鐵電存儲器（FeRAM）、磁性存儲器（MRAM）、相變化存儲器與電阻式存儲器（RRAM）等各種存儲器的開發(fā)者，都各自宣稱他們的技術(shù)終將成為通用存儲器，并取代現(xiàn)有的存儲器技術(shù)。但大多數(shù)新一代存儲器都無法準(zhǔn)時上市，也無法達(dá)到所宣稱的效果。再加上現(xiàn)有存儲器技術(shù)也持續(xù)升級，更排除了市場對新一代存儲器的需求。

　　「諸如FRAM、MRAM與相變化存儲器等技術(shù)，都有很大的機(jī)會取代現(xiàn)有存儲器；而所需的就是將成本降到低于現(xiàn)有存儲器的水平。這聽起來很簡單，實(shí)際上非常困難，是阻礙這些技術(shù)達(dá)到臨界值量的一大挑戰(zhàn)?！筄bjective-Analysis的分析師Jim Handy表示。

　　在這些存儲器技術(shù)中，MRAM的聲勢突然高漲；MRAM是一種利用電子自旋的磁性提供非揮發(fā)性的存儲器，這種技術(shù)據(jù)說有無限的耐久性。但到目前為止，MRAM被證實(shí)很難達(dá)到大量生產(chǎn)。

　　STT-RAM 算是第二代的磁性隨機(jī)存取存儲器技術(shù)，且號稱解決了部分傳統(tǒng)MRAM架構(gòu)所遭遇的問題。現(xiàn)今大多數(shù)MRAM寫入資料的原理，是透過利用一道電流通過鄰近穿隧磁阻（tunneling magnetoresistive，TMR）元件之電線所產(chǎn)生的磁場，來改變其磁性；Grandis指出，這種機(jī)制的運(yùn)作速度快，但十分耗電，而該公司則開發(fā)出一種完全不同的方法。

　　目前打算投入MRAM領(lǐng)域的公司還包括Avalanche、Crocus Technology、Hynix、IBM-TDK、Renesas、Samsung與Toshiba等等，但到目前為止市場上只有一家公司的MRAM產(chǎn)品，即從Freescale Semiconductor獨(dú)立而出的Everspin Technologies。

　　Everspin 近表示，該公司迄今容量的16Mbit MRAM產(chǎn)品已經(jīng)開始送樣，適合工業(yè)與嵌入式等領(lǐng)域的資料保存相關(guān)應(yīng)用，可望取代電池供電的SRAM或是相關(guān)的離散式解決方案，可能受威脅的廠商包括Cypress、ISSI、Maxim、ST、TI等。

　　在Grandis 這廂，該公司計劃授權(quán)技術(shù)，或是生產(chǎn)采用STT-RAM的獨(dú)立元件。其STT機(jī)制是采用自旋極化（spin-polarized）電流來切換磁位元，據(jù)說這種方法的耗電量較低，可擴(kuò)展性也較大；STT-RAM寫入資料的原理，是藉由校準(zhǔn)通過TMR元件的電子自旋方向。

　　在2005年，Renesas取得Grandis 的IP授權(quán)著手開發(fā)STT-RAM的嵌入式應(yīng)用；接下來到2008年，Hynix也取得Grandis 的IP授權(quán)，準(zhǔn)備開發(fā)單機(jī)式的STT-RAM應(yīng)用方案。Grandis目前在自家晶圓廠為Hynix試產(chǎn)，并宣布設(shè)置了12寸晶圓磁隧道結(jié)（MTJ）生產(chǎn)線；根據(jù)業(yè)界消息，Hynix也在韓國的晶圓廠試產(chǎn)STT-RAM。

　　今年Grandis也達(dá)成了與美國國防部高等研究計劃局（DARPA）合約的階段，包括以低于0.25 pJ 的耗電量示范STT-RAM寫入資料，以及5奈秒（nanosecond）的讀寫速度、高于60 kBT的熱穩(wěn)定性，以及在相同位元上、加總預(yù)計耐力達(dá)到1,016次讀寫周期。該公司表示，事實(shí)上他們達(dá)到的讀寫速度范圍是在1奈秒到20奈秒之間。

　　近Grandis還開發(fā)了一款90奈米制程、256kbit的元件；其寫入電流高于200 microAmps，讀寫速度20奈秒，耐久性為1,013次周期。根據(jù)該公司的藍(lán)圖，今年他們打算推出64-megabit版本的STT-RAM，采用54奈米制程技術(shù)、單位尺寸為14F2，期望能取代嵌入式SRAM。

　　接下來到2011年，Grandis更希望能發(fā)表采用45奈米制程、8F2單元尺寸的1Gbit產(chǎn)品，以取代嵌入式NOR、PSRAM與行動RAM。到了2012年，該公司則希望能完成32奈米制程、6F2單位尺寸的2Gbit與4Gbit產(chǎn)品，以取代現(xiàn)今的DRAM；而屆時的DRAM應(yīng)該已經(jīng)進(jìn)展到采用30奈米以下制程。

　　再來到2014年，Grandis期望可發(fā)表22奈米制程、4F2單元尺寸的4Gbit與8Gbit產(chǎn)品，并在某些特定應(yīng)用上取代今日的NAND?！肝覀儾活A(yù)期可在五年內(nèi)取代NAND；」身為公司執(zhí)行長，Tabrizi預(yù)見STT-RAM將涉足高階企業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域：「終有一天，STT-RAM可能被用以做為能與NAND快閃存儲器匹敵的儲存級（storage-class）存儲器。」

　　Grandis指出，在短期之內(nèi)，STT-RAM能在行動應(yīng)用中以單晶片取代MCP形式的存儲器，是一種具潛力的技術(shù)。Forward Insights的Wong則以分析師角度表示，該種存儲器在特性上屬于非揮發(fā)性RAM，與傳統(tǒng)MTJ MRAM相較，寫入電流低了許多、制程微縮的范圍也更大，不過卻需要更薄的穿隧阻障層（tunnel barrier），該種介質(zhì)的厚度與一致性是關(guān)鍵。

　　Wong以Grandis的上一版產(chǎn)品藍(lán)圖作為比較，指出該公司的技術(shù)發(fā)展時程其實(shí)稍微有些落后：「我有一份該公司以2007年為起點(diǎn)的舊版藍(lán)圖，他們原本要在今年發(fā)表45奈米、12F2產(chǎn)品，但卻推遲到了2011年。」

　　他并指出，Grandis的技術(shù)有希望挑戰(zhàn)DRAM，但要取代NAND則又是另一回事：「STT-RAM需要至少為縮到6F2單元尺寸，才有機(jī)會超越DRAM一個世代；而NAND的挑戰(zhàn)性又更高了，因為目前該技術(shù)的MLC版本是次6F2單元尺寸、每單位3位元（three-bits-per-cell）?！?/P>