主题：存储器芯片的现状、挑战与技术难点
目录
技术难点整体概览
不同类型的存储器，如DRAM、NAND Flash、NOR Flash、ReRAM等，有着不同的工作原理、性能指标、应用领域和市场需求。设计和制造不同类型的存储器芯片，需要掌握不同的材料、器件、电路和工艺技术，以及相应的知识产权（IP）。
对于不同的存储器芯片，有一些共性的挑战以及相对应的技术难点：
- 存储器容量：随着数据量的爆炸式增长，存储器芯片需要提供更大的容量来满足数据存储和处理的需求。为了提高存储器芯片的容量，需要采用更先进的制程技术，如3D堆叠技术，以及更复杂的设计方法，如多级单元（MLC）和交叉点阵列（XPoint）等。
- 存储器性能：存储器芯片的性能主要包括读写速度、功耗、耐久性、稳定性等方面。提高存储器芯片的性能，需要优化存储器的结构、编码方式、接口协议等，以及采用新型的存储材料和机制，如铁电材料、自旋转移矩（STT）等。
- 存储器验证：存储器芯片的验证是指在流片之前，对存储器芯片的功能、性能、可靠性等进行全面的测试和评估，以确保其符合设计规范和用户需求。存储器芯片的验证难度很大，因为现在的芯片集成了微处理器、模拟IP核、数字IP核和存储器（或片外存储控制接口），验证复杂度指数级增长。如何快速、准确、完备、易调试地完成日益复杂的验证，是每个芯片设计人员最大的挑战。
传统存储对比表格：
| 存储器类型 |
存储原理 |
存储特点 |
主要应用 |
主要厂商 |
| DRAM |
电容充放电 |
易失性、读写速度快、成本较高、需要刷新 |
内存、手机、服务器 |
三星、SK海力士、美光、长鑫存储、兆易创新 |
| SRAM |
双稳态触发器 |
易失性、读写速度更快、成本更高 、无需刷新 |
高速缓存、寄存器 |
英特尔、AMD、恩智浦、北京君正 |
| NAND Flash |
浮栅电荷存储 |
非易失性、读写速度较慢、成本较低、需要擦除 |
固态硬盘、U盘、嵌入式存储 |
三星、铠侠、SK海力士、西部数据、美光、长江存储 |
| NOR Flash |
浮栅电荷存储 |
非易失性、读取速度较快、写入速度较慢、成本较高、需要擦除 |
早期电脑和功能机，现在的TWS耳机等 |
英特尔、旺宏电子、华邦电子、兆易创新 |
源：
(1) 【芯片种类知多少】-存储芯片 - 知乎. https://zhuanlan.zhihu.com/p/494971830.
(2) 30 家国产存储器及主控芯片厂商调研分析报告 - 电子工程专辑 EE Times China. https://www.eet-china.com/d/file/news/2022-02-11/e55276227ad036843b47028abb603779.pdf.
(3) 芯片的分类 - 知乎. https://zhuanlan.zhihu.com/p/395169843.
(4) 存储芯片国内对比国外！ - 知乎. https://zhuanlan.zhihu.com/p/147533689.
新型存储芯片对比表格:
| 类型 |
原理 |
存储特点 |
主要应用 |
主要厂商（研究组织） |
| RRAM |
利用介电层中导电通路的形成和断开来改变电阻值¹ |
非易失、低功耗、高密度、高速度¹ |
物联网、人工智能、存储类内存¹ |
夏普、松下、三星、海力士、台积电等¹ |
| MRAM |
利用磁场极化来存储数据，存储单元由自由磁层、隧道栅层、固定磁层组成¹ |
非易失、读写次数无限、写入速度快、功耗低¹ |
缓存、嵌入式系统、汽车电子等¹ |
美光、爱芬达尔、日立等¹ |
| PRAM |
利用相变材料在晶态和非晶态之间的转变来改变电阻值¹ |
非易失、低延时、寿命长、功耗低¹ |
存储类内存、移动设备等¹ |
英特尔、美光、三星等¹ |
| FRAM |
利用铁电材料的极化方向来存储数据，存储单元由铁电层和两个电极组成² |
非易失、读写次数无限、速度快、功耗低² |
智能卡、射频识别等² |
富士通、德州仪器等² |
源: (1) 一文读懂｜三大新兴存储技术：MRAM、RRAM和PCRAM - 维库电子市场网. https://www.dzsc.com/data/2021-05-26/125347.html.
(2) 动态随机存取存储器 - 维基百科，自由的百科全书. https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%8A%A8%E6%80%81%E9%9A%8F%E6%9C%BA%E5%AD%98%E5%8F%96%E5%AD%98%E5%82%A8%E5%99%A8.
(3) 剖析5種傳統及3種新型記憶體 - 電子技術設計. https://www.edntaiwan.com/20170911NT02-memory/.
(4) Resistive Random Access Memory (RRAM): an Overview of Materials, Switching Mechanism, Performance, Multilevel Cell (mlc) Storage, Modeling, and .... https://link.springer.com/article/10.1186/s11671-020-03299-9.
(5) Emerging Storage Technologies: MRAM, RRAM, and PCRAM - Utmel. https://www.utmel.com/blog/categories/memory%20chip/emerging-storage-technologies-mram-rram-and-pcram.
(6) F-RAM (Ferroelectric RAM) - Infineon Technologies. https://www.infineon.com/cms/en/product/memories/f-ram-ferroelectric-ram/.
不同类型存储芯片面临的挑战和技术难点
DRAM
现状与挑战
- DRAM的市场需求主要来自智能手机、服务器、数据中心、云计算和人工智能等领域，随着技术的不断进步和应用的不断扩展，DRAM的市场规模持续增长，2021年达到949亿美元，同比增长41.6%²。
- DRAM的市场竞争非常激烈，三大厂商三星、海力士和美光占据了94%的市场份额，其他厂商如南亚、华邦、旺宏等主要角逐利基市场，国内企业长鑫仅占3%，且技术上存在一定差距³。
- DRAM的技术发展主要体现在产品规格和制程工艺上，目前主流的产品是DDR4，制程工艺在10nm~20nm之间，DDR5和10nm以下制程正在研发中。
- DRAM的技术挑战主要包括能量功耗、带宽、延迟和制程升级等方面，需要不断优化设计和工艺，提高性能和稳定性¹ 。
源:
- Memory Technology 2021: Trends & Challenges - IEEE Xplore. https://ieeexplore.ieee.org/document/9592547.
(2) 1T-1C Dynamic Random Access Memory Status, Challenges, and Prospects - IEEE Xplore. https://ieeexplore.ieee.org/document/8976234.
(3) Opportunities and challenges for spintronics in the microelectronics industry - Nature. Opportunities and challenges for spintronics in the microelectronics industry | Nature Electronics
技术难点
- 存储器容量：随着数据需求的不断增长，DRAM需要提供更大的容量来满足各种应用的需求，如人工智能、高性能计算和数据分析等。然而，DRAM的制程工艺面临着10nm以下的技术瓶颈，需要开发新的材料和工艺来实现更高的集成度和更低的成本¹ 。
- 存储器性能：DRAM需要提供更高的速度和更低的功耗来满足不同场景的性能要求，如服务器、数据中心、云计算和移动设备等。然而，DRAM的性能受到多种因素的影响，如电荷泄漏、电容耦合、信号完整性、温度稳定性等。需要不断优化设计和工艺来提高DRAM的可靠性和效率¹³。
- 存储器验证：随着DRAM的复杂度和规模的增加，验证DRAM的正确性和功能性变得更加困难和耗时。需要开发新的验证方法和工具来提高验证的覆盖率和效率，以及减少验证成本和时间³ 。
源:
(1) Scaling and Performance Challenges of Future DRAM. https://ieeexplore.ieee.org/document/9108122.
(2) Time To Rethink Memory Chip Design And Verification - Semiconductor Engineering. https://semiengineering.com/time-to-rethink-memory-chip-design-and-verification/.
(3) Memory Tiering: A New Approach to Solving Modern Data Challenges. https://www.intel.com/content/dam/www/central-libraries/us/en/documents/2022-04/optane-memory-tiering-white-paper.pdf.
SRAM
现状与挑战
- SRAM是现代系统芯片（SoC）的基本组成部分之一，主要用于高速缓存、寄存器文件和内存子系统等。SRAM的密度和性能随着CMOS技术的缩放而提高，但也带来了更高的功耗和更低的稳定性等问题² 。
- SRAM的市场需求主要来自高性能计算、人工智能、物联网和移动设备等领域，随着数据量和计算量的不断增长，SRAM需要提供更大的容量和更高的带宽来满足各种应用的需求³ 。
- SRAM的技术发展主要体现在单元结构和电路设计上，目前主流的单元结构是6T-SRAM，电路设计主要涉及读写稳定性、低压低功耗、容错能力等方面。随着制程工艺进入7nm以下，SRAM也面临着多种技术挑战，如变异性、漏电流、信噪比、过程温度电压（PVT）变化等¹²。
- SRAM的技术创新主要包括新型单元结构、新型存储材料、新型计算模式等方面，如8T-SRAM、10T-SRAM、FinFET-SRAM、STT-MRAM、ReRAM、PCRAM、FeRAM、3D XPoint Memory等。这些技术旨在提高SRAM的容量、性能、功耗和可靠性，以及实现存储计算一体化（CIM）等功能¹³。
源:
(1) Overcoming Challenges In Next-Generation SRAM Cell Architectures - Semiconductor Engineering. https://semiengineering.com/overcoming-challenges-in-next-generation-sram-cell-architectures/.
(2) Challenges and Trends of SRAM-Based Computing-In-Memory for AI Edge Devices - IEEE Xplore. https://ieeexplore.ieee.org/document/9382915.
(3) SRAM technology status and perspectives - ScienceDirect. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780128207581000108.
技术难点
- 存储器容量：随着人工智能边缘设备的发展，SRAM需要提供更大的容量来支持大规模的神经网络计算，如卷积、池化、激活等。然而，SRAM的容量受到单元结构、制程工艺和芯片面积等因素的限制，需要开发新的单元结构和存储材料来实现更高的集成度和更低的成本¹ 。
- 存储器性能：SRAM需要提供更高的速度和更低的功耗来满足不同场景的性能要求，如高性能计算、物联网和移动设备等。然而，SRAM的性能受到多种因素的影响，如电荷泄漏、信号完整性、温度稳定性等。需要不断优化设计和工艺来提高SRAM的可靠性和效率¹²。
- 存储器验证：随着SRAM的复杂度和规模的增加，验证SRAM的正确性和功能性变得更加困难和耗时。需要开发新的验证方法和工具来提高验证的覆盖率和效率，以及减少验证成本和时间² 。
源:
(1) Challenges and Trends of SRAM-Based Computing-In-Memory for AI Edge Devices - IEEE Xplore. https://ieeexplore.ieee.org/document/9382915.
(2) Design Challenges and Methodology of High-Performance SRAM-Based Compute-in-Memory for AI Edge Devices - IEEE Xplore. https://ieeexplore.ieee.org/document/9674995/.
(3) Optical RAM and integrated optical memories: a survey | Light: Science & Applications - Nature. https://www.nature.com/articles/s41377-020-0325-9.
NAND Flash
现状与挑战
NAND Flash是一种存储技术，它可以在断电后保持数据不丢失。它广泛应用于服务器、数据中心、云计算、移动设备和人工智能等领域。NAND Flash的主要挑战是如何在保持高性能、低成本和高可靠性的同时，实现更高的存储密度和更低的功耗¹²³。
目前，NAND Flash有两种主流的技术方向：一种是二维（2D）NAND Flash，它是在平面上缩小存储单元的尺寸，从而提高每平方厘米的存储容量。另一种是三维（3D）NAND Flash，它是在垂直方向上堆叠多层存储单元，从而突破了平面缩放的限制。3D NAND Flash又分为两种类型：一种是基于浮栅（floating-gate）的3D NAND Flash，它沿用了2D NAND Flash的存储原理，但是在结构上进行了优化。另一种是基于电荷陷阱（charge-trap）的3D NAND Flash，它使用了一种特殊的材料来存储电荷，而不是传统的浮栅²³。
目前，3D NAND Flash已经成为了NAND Flash技术发展的主流趋势，因为它可以实现更高的存储密度、更低的功耗和更长的寿命。但是，3D NAND Flash也面临着一些挑战，比如如何提高层数、降低制造成本、优化读写速度、提高数据可靠性等²³。
源:
(1) Memory Technology 2021: Trends & Challenges - IEEE Xplore. https://ieeexplore.ieee.org/document/9592547.
(2) NAND Flash technology status and perspectives - ScienceDirect. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780128207581000030.
(3) Review of Semiconductor Flash Memory Devices for Material and Process Issues - Kim - Advanced Materials - Wiley Online Library. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202200659.
技术难点
- 存储器容量：NAND Flash的存储器容量主要取决于存储单元的尺寸和层数。随着技术的发展，NAND Flash从二维（2D）结构转变为三维（3D）结构，从而突破了平面缩放的限制，实现了更高的存储密度。但是，3D NAND Flash也面临着如何提高层数、降低制造成本、优化读写速度、提高数据可靠性等挑战¹²³。目前，3D NAND Flash的层数已经达到了256层以上，但是随着层数的增加，也会带来更多的工艺复杂度、信号干扰、电压压降等问题¹²。
- 存储器性能：NAND Flash的存储器性能主要取决于读写速度、功耗和耐久性。随着市场对于高性能存储器的需求增加，NAND Flash需要不断提高读写速度，降低功耗和延长寿命。但是，这些目标之间往往存在着矛盾和折衷。例如，为了提高读写速度，需要增加电压和电流，但是这又会增加功耗和损伤存储单元，导致寿命降低¹²³。此外，NAND Flash还需要解决如何兼容不同的接口标准、如何优化控制器算法、如何提高并行度和通道利用率等问题¹²。
- 存储器验证：NAND Flash的存储器验证主要涉及到对存储单元的特性、可靠性和功能的测试和评估。由于NAND Flash的结构和工艺不断变化，导致存储单元的特性也不断变化，例如阈值电压分布、漏电流、信噪比等。这些变化给存储器验证带来了更多的困难和挑战²³。例如，如何设计有效的测试方法和模式、如何提高测试精度和效率、如何减少测试成本和时间等²³。
源:
(1) Trends and Future Challenges of 3D NAND Flash Memory. https://ieeexplore.ieee.org/document/10145825/.
(2) Nand Flash Memory -- Product Trends, Technology Overview, and Technical Challenges - IEEE Xplore. https://ieeexplore.ieee.org/document/6114775/.
(3) Reliability challenges in 3D NAND Flash memories - IEEE Xplore. Reliability challenges in 3D NAND Flash memories | IEEE Conference Publication | IEEE Xplore
NOR Flash
NOR Flash的现状及面临的挑战，请搜索英文的网站
对于NOR Flash，在存储器容量、存储器性能和存储器验证三个方面有哪些技术难点？对于这三个方面的技术难点，各自具体有什么技术难题是尚未解决的？
现状与挑战
- NOR Flash是一种非易失性存储器，广泛应用于便携式设备中。但是，随着技术的发展，NOR Flash在进一步缩小尺寸时遇到了很多困难。¹
- NOR Flash的主要挑战是浮动栅极的电荷损耗和隧道氧化层的缺陷。这些问题会影响NOR Flash的数据保持能力和循环寿命。¹²
- 为了解决这些问题，一些新的技术被提出，如利用高介电常数的介质层或创新的隧道势垒工程来实现电荷捕获存储器。¹³
- 另外，当电荷数量太少而无法保持逻辑状态时，三维堆叠的设备可能提供最终的解决方案。¹
源:
- Future challenges of flash memory technologies - ScienceDirect. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0167931708003523.
(2) TN-12-30: NOR Flash Cycling Endurance and Data Retention. https://www.micron.com/-/media/client/global/documents/products/technical-note/nor-flash/tn1230_nor_flash_cycling_endurance_data_retention.pdf.
(3) AN99121 NOR FLASH – A PRACTICAL GUIDE TO ENDURANCE AND DATA RETENTION - Infineon Technologies. https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-AN99121_Practical_Guide_to_Endurance_and_Data_Retention-ApplicationNotes-v05_00-EN.pdf?fileId=8ac78c8c7cdc391c017d07425561655b.
技术难点
- 存储器容量方面，NOR Flash的密度相比于NAND Flash较低，主要是由于其每位成本较高。NOR Flash的密度一般在2Gb以下，而NAND Flash的密度可以达到2Tb以上。⁴⁶ NOR Flash的容量受到浮动栅极尺寸和隧道氧化层厚度的限制，难以进一步缩小。¹²
- 存储器性能方面，NOR Flash的读取速度较快，适合执行代码和快速启动应用。但是，NOR Flash的写入和擦除速度较慢，且会随着循环次数而降低。⁴ NOR Flash的性能受到电荷损耗、浮动栅极干扰、短沟道效应等因素的影响。¹²
- 存储器验证方面，NOR Flash需要进行循环寿命和数据保持能力的测试，以确保其可靠性和稳定性。²³ NOR Flash的验证需要遵循行业标准，如JEDEC规范，并且需要在不同的温度、电压和时间条件下进行。² NOR Flash的验证也需要考虑不同的应用场景和需求，如汽车、工业、消费等领域。³
目前，针对这些技术难点，有一些新的技术被提出，如利用高介电常数的介质层或创新的隧道势垒工程来实现电荷捕获存储器，或者采用三维堆叠的设备来增加容量和性能。¹⁴ 但是，这些技术还需要进一步的研究和验证，以证明其可行性和优越性。
源:
- Future challenges of flash memory technologies - ScienceDirect. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167931708003523.
- Flash 101: NAND Flash vs NOR Flash - Embedded.com. https://www.embedded.com/flash-101-nand-flash-vs-nor-flash/.
- NOR | NAND Flash Guide - Micron Technology. https://media-www.micron.com/-/media/client/global/documents/products/product-flyer/nor_nand_flash_guide.pdf?la=en&rev=4782dd20539d44fc95cbbca2f772f91d.
- TN-12-30: NOR Flash Cycling Endurance and Data Retention - Micron Technology. https://media-www.micron.com/-/media/client/global/documents/products/technical-note/nor-flash/tn1230_nor_flash_cycling_endurance_data_retention.pdf?rev=e499d40bf03a4e18842e05890c18ee59.
- Solving functional safety challenges in Automotive with NOR Flash Memory. https://flashmemorysummit.com/English/Collaterals/Proceedings/2018/20180807_AUTO-102-1_Krishnegowda.pdf.
- Future challenges of flash memory technologies - ScienceDirect. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0167931708003523.
RRAM
现状与挑战
- RRAM是一种新兴的存储技术，具有高速、低成本、高密度、多领域应用和优异的可扩展性等优点¹。
- RRAM基于电阻开关机制，通过改变金属氧化物薄膜中导电丝的形成和消失来实现数据存储¹。
- RRAM可以用于计算存储系统，即在存储单元内部进行数据处理，从而减少数据传输的延迟和能耗²。
- RRAM还可以实现多电平存储，即在一个单元中存储多个比特的数据，从而提高存储密度和降低成本¹。
- RRAM面临的挑战包括耐久性、保持性、均匀性、温度效应、随机电报噪声等方面的问题，这些问题会影响RRAM的可靠性和安全性¹³。
- RRAM还需要解决电路和宏观层面的设计难题，如读写操作的控制、误差校正、交叉干扰、模型建立等²。
源:
(1) Resistive Random Access Memory (RRAM): an Overview of Materials, Switching Mechanism, Performance, Multilevel Cell (mlc) Storage, Modeling, and .... https://link.springer.com/article/10.1186/s11671-020-03299-9.
(2) Trends and challenges in the circuit and macro of RRAM-based computing-in-memory systems - ScienceDirect. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2709472322000028.
(3) RRAM Endurance and Retention: Challenges, Opportunities and Implications on Reliable Design | IEEE Conference Publication | IEEE Xplore. https://ieeexplore.ieee.org/document/8964707.
技术难点
- 存储器容量方面，RRAM的技术难点是如何实现多电平存储，即在一个单元中存储多个比特的数据，从而提高存储密度和降低成本¹。目前，多电平存储还面临着读写操作的控制、误差校正、交叉干扰等问题²。
- 存储器性能方面，RRAM的技术难点是如何提高耐久性、保持性、均匀性等方面的性能，以及如何降低温度效应、随机电报噪声等因素的影响¹³。这些问题会影响RRAM的可靠性和安全性，从而限制其在实际应用中的推广。
- 存储器验证方面，RRAM的技术难点是如何建立准确的模型和方法来描述和预测RRAM的开关机制、电流电压关系、多电平存储特性等¹²。目前，还没有一个统一的理论框架来解释RRAM的物理现象和行为，也没有一个通用的测试平台来评估RRAM的性能和可靠性。
这些技术难题都是尚未解决的，需要进一步的研究和探索。
源:
(1) Trends and challenges in the circuit and macro of RRAM-based computing-in-memory systems - ScienceDirect. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2709472322000028.
(2) Resistive Random Access Memory (RRAM): an Overview of Materials, Switching Mechanism, Performance, Multilevel Cell (mlc) Storage, Modeling, and .... https://link.springer.com/article/10.1186/s11671-020-03299-9.
(3) RRAM Endurance and Retention: Challenges, Opportunities and Implications on Reliable Design | IEEE Conference Publication | IEEE Xplore. https://ieeexplore.ieee.org/document/8964707.
MRAM
现状与挑战
存储芯片MRAM是一种利用电子自旋来存储信息的非易失性内存技术，它具有高速度、低功耗、高耐久性和高可扩展性等优点¹。MRAM的主要挑战是如何实现高效、可靠和稳定的磁化翻转，以及如何克服器件尺寸缩小带来的热稳定性、写入误差和读写干扰等问题²。目前，MRAM主要有三种磁化翻转机制：自旋转移力矩（STT）、自旋轨道力矩（SOT）和电压控制磁各向异性（VCMA）³。其中，VCMA-MRAM被认为是最有前景的一种，因为它可以实现低电压、低电流、快速和低能耗的写入操作³。然而，VCMA-MRAM也面临着一些挑战，例如如何优化材料选择和器件结构，如何提高写入效率和可靠性，以及如何减少读写干扰和噪声等³。
源:
(1) Opportunities and challenges for spintronics in the microelectronics industry - Nature. https://www.nature.com/articles/s41928-020-0461-5.
(2) Memory Technology 2021: Trends & Challenges - IEEE Xplore. https://ieeexplore.ieee.org/document/9592547.
(3) Voltage-controlled MRAM for working memory: Perspectives and challenges - IEEE Xplore. https://ieeexplore.ieee.org/document/7927047.
技术难点
- 存储器容量方面：MRAM的技术难点是如何实现高密度的存储单元，以及如何克服尺寸缩小带来的热稳定性、写入误差和读写干扰等问题¹。目前，MRAM的最小尺寸为28nm或22nm，要进一步缩小，需要解决以下技术难题：
- 如何优化材料选择和器件结构，以提高磁隧道结（MTJ）的磁各向异性、磁电阻比和翻转效率¹²。
- 如何降低写入电流和电压，以减少热效应和功耗¹²。
- 如何设计高效的读写电路和编码方案，以减少读写干扰和噪声¹²。
- 存储器性能方面，MRAM的技术难点是如何实现高速度、低延迟和高可靠性的读写操作，以及如何与其他逻辑电路兼容¹。目前，MRAM的读写速度已经达到了SRAM的水平，但是还需要解决以下技术难题：
- 如何提高MTJ的翻转速度和可靠性，以降低写入延迟和失败率¹²。
- 如何优化读写电路的设计，以降低读取延迟和功耗¹²。
- 如何实现MRAM与CMOS逻辑电路的无缝集成，以提高系统性能和功能¹²。
- 存储器验证方面，MRAM的技术难点是如何测试MRAM的磁场特性、温度特性和可靠性特性，以及如何在不同的流程环节进行有效的测试³。目前，MRAM需要新的测试设备、测试方法和测试标准，但是还需要解决以下技术难题：
- 如何在芯片级、模块级和系统级进行全面、准确和高效的MRAM测试³。
- 如何在不同的温度条件下测试MRAM的磁化翻转、读写干扰和保持失效等可靠性问题³。
- 如何在强磁场环境下测试MRAM的抗干扰能力和稳定性³。
源:
(1) Challenges In Making And Testing STT-MRAM - Semiconductor Engineering. https://semiengineering.com/challenges-in-making-and-testing-mram/.
(2) WiSE: When Learning Assists Resolving STT-MRAM Efficiency Challenges | IEEE Journals & Magazine | IEEE Xplore. https://ieeexplore.ieee.org/document/9749958/.
(3) ST-MRAM fundamentals, challenges, and applications - IEEE Xplore. https://ieeexplore.ieee.org/document/6658449.
PRAM
现状与挑战
存储芯片PRAM是一种基于相变的随机存取存储器，它具有高密度、非易失性、快速读取速度和优异的可扩展性，被认为是DRAM的替代品¹。然而，PRAM也面临着一些挑战，主要是低耐久性和高写入能耗¹。为了缓解这些限制，先前的研究主要集中在减少位级的写入强度¹。此外，PRAM还需要解决处理器和存储单元的静态故障问题²，以及如何有效地将PRAM集成到主存储层次结构中³。
源:
(1) A frequent-value based PRAM memory architecture - IEEE Xplore. https://ieeexplore.ieee.org/document/5722186/.
(2) [1801.00237] Deterministic Computations on a PRAM with Static Processor and Memory Faults - arXiv.org. https://arxiv.org/abs/1801.00237.
(3) PDRAM | Proceedings of the 46th Annual Design Automation Conference - ACM Digital Library. https://dl.acm.org/doi/10.1145/1629911.1630086.
技术难点
- 存储器容量：PRAM的存储器容量受到其写入耐久性的限制，即每个存储单元只能承受有限次数的写入操作，否则会失效¹。因此，PRAM需要采用一些技术来提高其写入耐久性，例如减少位级的写入强度¹、利用数据的频繁值特性²、使用翻转写入技术³等。然而，这些技术也会带来一些代价，例如降低存储器的有效容量²、增加额外的硬件开销³等。目前尚未解决的技术难题是如何在保证PRAM的高密度和高可靠性的同时，实现高效的写入耐久性管理。
- 存储器性能：PRAM的存储器性能受到其写入速度和能耗的限制，即写入操作比读取操作慢得多，而且消耗更多的能量¹。因此，PRAM需要采用一些技术来提高其写入速度和降低其写入能耗，例如使用并行写入技术³、利用数据的局部性特性²、使用缓冲区或缓存技术等。然而，这些技术也会带来一些挑战，例如增加设计复杂度、增加访问延迟、增加功耗等。目前尚未解决的技术难题是如何在保证PRAM的低延迟和低功耗的同时，实现高效的写入速度优化。
- 存储器验证：PRAM的存储器验证受到其故障模型和故障检测方法的限制，即PRAM可能存在一些静态或动态的处理器和存储单元故障，导致数据丢失或错误。因此，PRAM需要采用一些技术来检测和纠正这些故障，例如使用错误检测和纠正码（ECC）、使用故障模拟和测试方法等。然而，这些技术也会带来一些问题，例如增加硬件成本、增加运行时间、降低系统可用性等。目前尚未解决的技术难题是如何在保证PRAM的高可靠性和高容错性的同时，实现高效的故障检测和纠正方法。
源:
(1) Flip-N-Write: A simple deterministic technique to improve PRAM write performance, energy and endurance - IEEE Xplore. https://ieeexplore.ieee.org/document/5375405/.
(2) A frequent-value based PRAM memory architecture - IEEE Xplore. https://ieeexplore.ieee.org/document/5722186/.
(3) Implementation of a High-Performance Pattern Recognition Associative Memory in an FPGA. https://indico.cern.ch/event/543031/contributions/2921444/attachments/1665979/2671580/2018-06-12_PRAM.pdf.
FRAM
现状与挑战
FRAM是一种非易失性存储器，它利用铁电材料的极化特性来存储数据。FRAM的优点是写入速度快、功耗低、数据可靠、写入次数高。¹²
FRAM的现状是已经实现了150 nm工艺节点下的0.27 µm 2的单晶管单电容（1T1C）FRAM，但是要在未来的移动设备中应用，还需要进一步缩小单元尺寸。¹
FRAM面临的挑战是如何克服物理和电气的极限，如何提高集成度和稳定性，如何降低成本和功耗，以及如何与其他存储器技术竞争或协作。³
源:
(1) Current Development Status and Future Challenges of Ferroelectric Random Access Memory Technologies - IOPscience. https://iopscience.iop.org/article/10.1143/JJAP.45.3189.
(2) FRAM FAQs - Texas Instruments India. https://www.ti.com/pub/fram/fram_faq.html.
(3) Memory Technology 2021: Trends & Challenges - IEEE Xplore. https://ieeexplore.ieee.org/document/9592547.
技术难点
- 存储器容量：由于铁电晶体的特性限制，FRAM存储器的容量相对较小，目前最大密度可达256K位¹。而且，FRAM的逻辑部分比重太大，成本难以降低³。因此，FRAM很难与DRAM和SRAM等存储器竞争，也不适合大数据的存储。
- 存储器性能：FRAM存储器的读写速度虽然快于闪存和EEPROM等非易失性存储器，但仍然慢于DRAM和SRAM等易失性存储器。此外，FRAM存储器的读操作可能导致存储单元状态的改变，需要电路自动恢复其内容，这也会增加读操作的时间¹。另外，FRAM存储器仍有最大访问（读）次数的限制¹。
- 存储器验证：由于FRAM存储器是一种新型的非易失性存储器，它还没有形成统一的标准和规范。因此，在验证方面还存在一些挑战和困难，比如如何评估FRAM存储器的可靠性、稳定性、兼容性等⁴。
源:
(1) 铁电存储器（一种随机存取存储器）_百度百科. https://baike.baidu.com/item/%E9%93%81%E7%94%B5%E5%AD%98%E5%82%A8%E5%99%A8/3781126.
(2) 卡位“下一代”存储，一文看懂富士通FRAM、NRAM、ReRAM产品线-国际电子商情 - ESM China. https://www.esmchina.com/news/201805141433.html.
(3) 富士通FRAM是如何崛起的？ - 知乎. https://zhuanlan.zhihu.com/p/367715443.
(4) FRAM技术简介 - 知乎. FRAM技术简介 - 知乎