各種新興記憶體比較

新興記憶體(emerging memory)現在多指的是新的非揮發性記憶體，最主要包括相變半導體(Phase Change Memory；PCM)、可變電阻式記憶體(Resistive RAM；ReRAM)以及MRAM。這些新興記憶體目前都在競爭儲存級記憶體(Storage Class Memory；SCM)的核心位置。

有許多比較各種新興記憶體的基準指標，包括寫入速度、功耗、耐久性、資料保存期限、可擴展性(scalability)等。但新興記憶體的材料、結構、甚至工作機制，都還在快速進展之中，單看這些數據並不能有較遠的能見度。我學物理，喜歡從基礎工作機制看起。

PCM利用硫化物(chalcogenide)－特別是Ge2Sb2Te5(GST) －的特性，加高溫讓它變成晶體(crystalline)或非晶(amorphous)狀態－兩種相。晶體相導電性高，通常代表狀態「1」；非晶相導電性低，通常代表狀態「0」。由於在常溫下這兩種相都是穩定的，就可以當非揮發性記憶體。PCM也有用雷射來轉換物質相態的方法。

ReRAM則是用過渡金屬氧化物(Transition Metal Oxide；TMD)薄膜，譬如HfO2－這可是咱們工研院開發完成的技術，當成記憶單元。當氧化物上下的電極施加偏壓超過臨界值時，氧化物中的氧就會變成空隙(vacancy)，氧離子和此空隙就可以像電子和電洞自由移動，形成高導電態。而這高、低導電態，就可以形成「1」與「0」。ReRAM的材料衆多，性能有可能再提高。

MRAM則是由磁穿墜結(Magnetic Tunnel Junction；MTJ)當記憶單元，此MTJ由二鐵磁層：一自由層、一固定層，中間夾一層薄氧化層所形成，像三明治。當此二鐵磁層的磁化方向相同，是低電阻態，代表「1」 ；此二鐵磁層的磁化方向相反，是高電阻態，代表「0」。自由層的磁化方向可以由被極化的電流由所攜帶的自旋流(spin current)所翻轉，這就是所謂的自旋轉矩移轉(Spin Torque Transfer；STT)。這個翻轉磁矩的機制還在改進之中。

以前MRAM常被詬病的是其所需寫入電流大、功耗大、寫入速度慢。這個刻板印象可以試著從基礎機制來判別。PCM和ReRAM的狀態改變都牽涉到原子鍵結的斷裂以及原子的重新排列，而MRAM的狀態改變僅牽涉到原子中外層電子的自旋方向翻轉，二者所需的能量有數量級的差別。

那麼為什麼以前MRAM需要那麼高的寫入電流？第一代的MRAM翻轉磁矩用的方法是在導線上通過電流以產生磁場，以此磁場翻轉磁矩。但是因為只有一小部份的磁場被真正用於翻轉磁矩，效率不彰，所以能耗很大。現在的STT讓電流的自旋直接通過鐵磁層，直接作用效率高多了。

目前用於替代L3 cache的嵌入式MRAM，寫入電流降至數十uA，寫入速度10ns，已經可以滿足需求了。但用STT機制來翻轉磁矩，因為電子質量輕，轉矩還是小。現在研究發展中的自旋軌域轉矩(Spin Orbit Torque；SOT)產生力矩的是原子，原子較電子重多了，產生的力矩大，實驗證據顯示效率還可以有數量級的改進。

PCM與ReRAM還有一個隱憂。由於改變記憶體狀態牽涉到原子鍵結的斷裂以及重組，每寫一次，材料就受一次摧殘，所以耐久性的表現略遜。

現在各新興記憶體的發展各佔區位，MRAM在嵌入式的應用站穩位置，PCM和ReRAM則往SCM方向發展，ASML的SCM技術路標上的兩個競爭者就是PCM和ReRAM，雖然現在ReRAM的實際容量還小。但是未來真正的決勝點，我認為是哪一種新興記憶體能做到真正的3D製程，而不是cross-point，這樣才有可能在價格上與3D NAND競爭，但這是後話了。