非易失性存储器以许多不同的形式存在。图1所示为随时间演变的各种非易失性存储器类型。

由于应用需求的推动,非易失性存储器技术发展非常迅速。以前许多应用只需存储少量启动代码即可,而现在的应用却需要存储千兆字节(GB)的音乐和视频数据,也因此为非易失性存储器的发展带来革命性的变化。非易失性存储器起源于简单的掩膜只读存储器(ROM),随后演变成PROM,再后来成为EPROM。而1988年英特尔公布了快速随机存取的NOR闪存。尽管EPROM技术已经有了10多年的历史,成熟度也大为完善,NOR闪存还是迅速占领了EPROM的内存接口市场。而NAND闪存比NOR技术更早,已经有20多年历史了。最初,NAND闪存的年度发货量增幅缓慢,后期则成为市场上炙手可热的产品,其在市场上取得的成功主要归功于它独特的特点。

从读取和写入的角度来看,易失性存储器通常都是非常快速的,而非易失性性存储器的写入一般较为缓慢；非易失性存储器还在写入上存在着固有的局限性,在一定次数的写入操作后,存储器会达到自己的承受极限而出现故障。而理想的存储器应当具备非易失性以及与SRAM类似的存取速度,同时没有读取/写入限制,以及只消耗非常少的功率,这正是推动最新一代非易失性存储器快速发展的因素。

没有任何一款新存储器能够在所有领域都取得优势,但这些存储器均在存储器特性的某些重要方面取得了关键性的进步。nvSRAM、FRAM等产品正在朝此方向努力。

nvSRAM

无需电池的nvSRAM能够在下电/掉电后在内部存储数据,完全适合要求进行连续高速写入数据以及具备高可靠非易失性的应用。与nvSRAM相比,FRAM的主要优势在于它在给定阵列密度和制造光蚀刻工艺下具有较小的封装尺寸,不过目前nvSRAM领先的是已开发出4Mb的nvSRAM器件。nvSRAM将比需要电池的存储器更具竞争力,而且需要电池的存储器在可靠性以及RoHS达标方面存在着重大的问题。通过赛普拉斯与Simtek的合作,在130nm CMOS制程中加入了一个SONOS制程模块,从而使其能生产超过4Mb的nvSRAM产品。此外,还可以让SONOS应用于各种混合信号和SoC产品中。这将使nvSRAM存储器从低容量应用产品转变一种大容量的高端存储器,并在工业和计算应用中赢得显著的设计成果。

FRAM

FRAM是nvSRAM的主要竞争对手,其采用了将DRAM电容器介电材料更换成铁电材料的概念:既可以采用钙钛晶体,例如PZT(锆钛酸铅),也可以采用层状钙钛材料,例如,SBT(锆钛酸钡)。

MRAM

MRAM代表磁性随机存储器,将磁性器件与标准的硅片微电子线路结合起来以获得非易失性、无限读取和写入耐久性的整体特性。

PRAM

PRAM存储器的工作原理是采用了特定材料属性的改变,即能够通过加热从晶态转变成非晶态。

表1提供了不同非易失性存储器技术的对比。

表1:不同非易失性存储器技术的对比。

nvSRAM采用了每个存储单元内1个非易失位与1个快速SRAM位一对一配对的工作原理,在系统运行时,集成电路的的状态也与标准快速SRAM完全一致,并能够与现有的微处理器和微控制器轻松对接。存储器能够检测到集成电路供电中断或消失,并利用存储在电容内的能量来执行一次快速的阵列写入操作(不到13ms)将每一个SRAM位存入到非易失部分。这样就能在供电恢复后从非易失部分向SRAM部分自动恢复数据。nvSRAM体系架构允许进行无限次的读取/写入而且存取时间可以缩短到15ns。产品在各领域规定温度范围(通信、工业、军用,等等)的数据保存额定期限均超过20年。这样就无需在系统设计时采用不可靠的电池,并同时确保了最小的占用空间和最低的材料成本。

图1:非易失性存储器类型及其演变。

作者:Ritesh Mastipuram

   NVM部门产品经理

  Rajesh Manapat

   NVM部门主管

   赛普拉斯半导体公司