1.2 非易失性存储介质

非易失性存储介质是指在断电后仍能存储信息的存储介质。随着现代产业对持久内存需求的不断提高，很多厂商和研究机构一直在探索性能、成本、循环寿命及工艺可靠性等方面都更加优异的非易失性存储介质。根据其技术实现原理，非易失性存储介质可以分为如图1-5所示几类，包括已经商业化的传统非易失性存储介质和各类处于研发阶段或进入市场不久的新型非易失性存储介质。

1.2.1 传统非易失性存储介质

传统非易失性存储器按照存储器中的数据能否在线随时修改为标准，可以分为两大类，即只读存储器（ROM）和Flash。

ROM的特点是数据一旦存储就无法再更改或删除，且内容不会因断电消失，所以通常用来存储一些不需要经常变更的信息或资料，如计算机启动时用的基本输入输出系统（Basic Input Output System，BIOS）。为了实现编程和擦除操作，ROM发展出了多种类型，包括可编程只读存储器（Programmable ROM，PROM）、可擦除可编程只读存储器（Erasable Programmable ROM，EPROM）等，其中，EPROM解决了传统ROM只能编写一次的弊端。根据擦除方式的不同，EPROM又可以分为紫外线可擦除可编程只读存储器（Ultraviolet EPROM，UVEPROM）和电子可擦除可编程只读存储器（Electrically EPROM，EEPROM），但是这些不同种类的ROM都具有擦写不便、集成度低等缺点。

Flash实现了存储数据的在线修改和擦除，其存储单元结构与EEPROM相似，但是EEPROM只能对整个芯片进行擦写操作，而Flash能对字节进行擦写，另外，Flash的擦写电压比EEPROM的低很多。Flash的存储单元结构是由一个带有浮栅的MOS管构成的，浮栅上下均被电介质材料隔离，形成电容以存储电荷，通过控制注入浮栅的电荷数量，可以调节MOS管的阈值电压。当浮栅中存有电荷时，阈值电压增大，超过读取电压，对应逻辑“0”；当浮栅中无电荷时，阈值电压减小，低于读取电压，对应逻辑“1”。经过30多年的发展，Flash已经成为比较成熟的商用非易失性存储设备之一。目前，Flash可以分为两种：第一种是由英特尔于1988年首次推出的NOR Flash，其采用热电子注入的方式写入数据，基于隧穿效应擦除数据；第二种是由日立公司于1989年研制出的NAND Flash，其擦写操作也是基于隧穿效应进行的。NOR Flash有独立的地址线和数据线，很容易随机存取其内部的每一个字节。NOR Flash允许在芯片内执行，应用程序可以直接在Flash上运行，不必再把代码读到系统RAM中，所以非常适合用于各种消费电子产品中。NAND Flash可以实现很小的存储单元尺寸，从而实现较高的存储密度，并且写入和擦除速度也相对较快。NAND Flash成本较低，非常适用于存储卡之类的大容量存储设备。

尽管Flash取得了巨大成功，但是其本身仍存在很多缺陷和挑战。首先，其擦写速度相比于DRAM要慢得多，因此只能作为辅助的存储器或外部存储设备。其次，Flash的擦写电压（5V）比较高，在未来作为存储设备与其他微电子器件的兼容性较差。最后，单元尺寸的不断减小将导致相邻单元发生电子隧穿的概率越来越高，存储信息的可靠性大大降低，目前Flash的存储密度已接近其物理极限。

1.2.2 新型非易失性存储介质

为了开发出比传统非易失性存储介质更高速、更低功耗、更高密度、更可靠的非易失性存储介质，近年来研究者们把目光聚集到一些具有特殊性能的材料上，并依据这些材料提出了一些存储介质模型。其中较引人注目的包括以下几种：铁电随机存储器（Ferroelectric RAM，FeRAM）、磁性随机存储器（Magnetic RAM，MRAM）、阻变存储器（Resistive RAM，ReRAM）、相变存储器（Phase Changing Memory，PCM），以及进入市场不久的3D-XPoint。下面对这五种存储介质的存储原理、优缺点及发展状况进行简要介绍。

1.铁电随机存储器

FeRAM通过铁电材料的不同极化方向来存储数据。在铁电材料上施加一个小于其击穿场强的外加电场时，晶体中的原子会在电场的作用下发生位移，使得晶体中的正负电荷中心不重合，并且处于一种稳定状态（极化向上）；当施加反向电场时，晶体中的原子向反方向发生位移，达到另一种稳定状态（极化向下）。极化向上或者极化向下的双稳态可以用来存储二进制信息“1”和“0”。当撤销外加电场后，晶体中的原子在没有获得足够多的能量之前会保持原来的位置，不需要电压来维持，所以FeRAM是一种非易失性存储。

FeRAM具有高读写速度、低功耗和擦写循环性能好等优点。但是，FeRAM破坏性的数据读取方式导致每次数据的读取都需要重新写入，其读写过程还伴随着大量擦写操作，这对FeRAM的擦写循环性能提出了更高要求。另外，FeRAM中的铁电材料在单元尺寸缩小至一定程度时就会失去铁电效应，这限制了其朝高密度方向的发展。另外，当环境温度超过铁电材料的居里温度时，铁电材料会由铁电相转变为顺电相，失去存储功能，因此FeRAM的数据保持能力较差。

2.磁性随机存储器

MRAM通过磁化方向的改变来存储数据，并通过磁阻效应来实现数据读。MRAM采用磁穿坠结（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）作为记忆单元，MTJ结构包括固定磁层、隧穿层和自由磁层。其中，固定磁层的磁矩方向固定不变，而自由磁层的磁矩方向可以在外磁场的作用下发生翻转，当自由磁层的磁矩方向与固定磁层的磁矩方向同向时，通过隧穿层的电子受到的散射作用弱，在垂直方向上表现出低电阻，相当于逻辑“1”；当自由磁层的磁矩方向与固定磁层的磁矩方向反向时，通过隧穿层的电子受到的散射作用强，在垂直方向上表现出高电阻，相当于逻辑“0”。磁层的磁矩在断电后不会失效，所以MRAM是一种非易失性存储器。第一代MRAM利用导线通电产生的磁场，来实现磁场翻转磁矩。因为只有一小部分的磁场被真正用于翻转磁矩，所以效率不高，能耗很大。第二代MRAM通过自旋电流实现信息写入，放大了隧道效应，使得磁阻的变化更加明显。因此，第二代MRAM也叫作自旋转移力矩磁性随机存储器（Spin-Transfer Torque MRAM，STT-MRAM）。

MRAM的读写速度接近DRAM，具有可反复擦写次数高等优点。尽管如此，MRAM也面临磁致电阻过于微弱的挑战，两个状态之间的电阻只有30%～40%的差异，当读取电压降低时尤其明显。另外，由于磁性材料的原因，MRAM在进行写入和擦除操作时，不同存储单元之间存在磁场干扰的问题。器件小型化后这一问题更加突出，这也限制了其朝高密度方向的发展。

3.阻变存储器

ReRAM利用材料的电阻在电压作用下发生变化的现象来存储数据。近年来，研究人员在二元氧化物、复杂钙钛矿氧化物、固态电解质材料、非晶碳材料、有机高分子材料等各种材料和器件中都发现了磁滞回线特征现象，即器件可以在高阻态和低阻态间发生可逆转变。虽然目前世界上大部分研究人员并没有严格地证明他们研究的材料或器件符合忆阻数学理论或模型，但是研究人员将这些材料或器件都称为忆阻器（Memrister）。忆阻器在外加电压的作用下，电阻值会在至少两个稳定的阻态间发生切换，当撤去外加电压后，阻态能够保持，使之成为又一种非易失性存储器。这类应用在信息存储领域的忆阻器又被称为阻变存储器。

尽管ReRAM的物理实现可以来自各种不同的阻变材料或者基于多种物理机制，且针对不同材料观察到的电阻转变特性有所不同，但是基本上可以分为两大类：单极性（Unipolar）电阻转变和双极性（Bipolar）电阻转变。单极性电阻转变的材料，其电阻的转变取决于所加电压的幅值而不是电压的极性，在正向电压和负向电压下，都可以实现高低阻态的转变。双极性电阻转变的材料，其电阻只能在特定极性的电压下才能发生从高阻态向低阻态的转变，并且必须施加反向电压才能从低阻态转变回高阻态。无论上述哪种类型，其在高阻态时都相当于逻辑“0”，在低阻态时相当于逻辑“1”。

ReRAM具有擦写速度快、存储密度高、具备多值存储和三维存储潜力等优点。但是由于改变存储器状态涉及原子键结的断裂及重组，相当于每执行一次写操作，材料就受到一次摧残，因此ReRAM耐久性较差。

4.相变存储器

PCM利用以硫属化合物为基础的相变材料在电流的焦耳热作用下，通过晶态和非晶态之间的转变来存储数据。对相变材料施加一个相对较宽的脉冲电流，使材料的温度处于晶化温度和熔点之间，材料结晶，处于晶态的材料具有较高的自由电子密度，表现出半金属特性，其电阻值较低，相当于逻辑“1”；对相变材料施加一个极短的大电流脉冲，使材料的温度处于熔点以上并马上淬火冷却，进而使材料的部分区域进入非晶态，处于非晶态的材料具有较低的自由电子密度，表现出半导体特性，其电阻值较高，相当于逻辑“0”。PCM中信息的读取是通过施加一个足够小的脉冲电压来进行的，材料的状态不会因为读取过程中可能断电而改变，所以PCM是一种非易失性存储器。

PCM具有重复擦写次数高、存储密度高、多值存储潜力大等优点。然而，高质量相变材料的制备及使材料发生相变所需的大电流是限制PCM商用化的主要因素，电流大意味着高功耗，这也是推广PCM大规模应用需要解决的主要问题。

5.3D-XPoint

3D-XPoint是英特尔和美光（Micron）于2015年发布的新型非易失性存储器，两家公司对于其使用的物理材质和实现原理并未公布进一步的信息，目前已知的3D-XPoint的结构的基本单元由选择器（Selector）和内存单元（Memory Cell）共同构成，两者存在于字线和位线之间。字线和位线之间存在特定的电压差，能够改变存储单元中特殊材料的电阻，从而实现写操作。字线和位线可以检测某个存储单元的电阻值，并根据其电阻值来反馈数据存储情况，从而实现读操作。

1.2.3 非易失性存储介质主要特性比较

前面分别介绍了几种传统和新型非易失性存储介质的原理和优缺点，下面对其主要特性进行总结和比较，如表1-1所示。