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一提到“存儲(chǔ)器”，相信很多朋友都會(huì)想到計(jì)算機(jī)。是的，在計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu)中，有一個(gè)很重要的部分，就是存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器是用來存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)的部件，對(duì)于計(jì)算機(jī)來說，有了存儲(chǔ)器，才有記憶功能，才能保證正常工作。存儲(chǔ)器的種類很多，按其用途可分為主存儲(chǔ)器和輔助存儲(chǔ)器，主存儲(chǔ)器又稱內(nèi)存儲(chǔ)器(簡稱內(nèi)存)，輔助存儲(chǔ)器又稱外存儲(chǔ)器(簡稱外存)。外存通常是磁性介質(zhì)或光盤，像硬盤，軟盤，磁帶，CD等，能長期保存信息，并且不依賴于電來保存信息，但是由機(jī)械部件帶動(dòng)，速度與CPU相比就顯得慢的多。內(nèi)存指的就是主板上的存儲(chǔ)部件，是CPU直接與之溝通，并用其存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的部件，存放當(dāng)前正在使用(即執(zhí)行中)的數(shù)據(jù)和程序，它的物理實(shí)質(zhì)就是一組或多組具備數(shù)據(jù)輸入輸出和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能的集成電路，內(nèi)存只用于暫時(shí)存放程序和數(shù)據(jù)，一旦關(guān)閉電源或發(fā)生斷電，其中的程序和數(shù)據(jù)就會(huì)丟失。

其中，在計(jì)算機(jī)中，RAM 、ROM都是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。RAM 是隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，它的特點(diǎn)是易揮發(fā)性，即掉電失憶。ROM 通常指固化存儲(chǔ)器(一次寫入，反復(fù)讀取)，它的特點(diǎn)與RAM 相反。舉個(gè)例子來說也就是，如果突然停電或者沒有保存就關(guān)閉了文件，那么ROM可以隨機(jī)保存之前沒有儲(chǔ)存的文件但是RAM會(huì)使之前沒有保存的文件消失。所以，本章節(jié)要跟大家分享的就是關(guān)于“隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）”相關(guān)的內(nèi)容，如有不對(duì)或是遺漏之處，還希望大家多多批評(píng)指正。

一、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）的概述

隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，英文全稱：Random Access Memory，簡稱RAM，也叫主存。是計(jì)算機(jī)和其他電子設(shè)備中用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的一種半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。它允許數(shù)據(jù)在任何時(shí)間被讀取或?qū)懭耄虼吮环Q為“隨機(jī)存取”。RAM是計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)的主要存儲(chǔ)器，因?yàn)樗峁┝丝焖俚臄?shù)據(jù)訪問速度，這對(duì)于執(zhí)行程序和處理數(shù)據(jù)至關(guān)重要。

同時(shí)，它還可以隨時(shí)讀寫(刷新時(shí)除外)，而且速度很快，通常作為操作系統(tǒng)或其他正在運(yùn)行中的程序的臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)。RAM工作時(shí)可以隨時(shí)從任何一個(gè)指定的地址寫入(存入)或讀出(取出)信息。它與ROM的最大區(qū)別是數(shù)據(jù)的易失性，即一旦斷電所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)將隨之丟失。RAM在計(jì)算機(jī)和數(shù)字系統(tǒng)中用來暫時(shí)存儲(chǔ)程序、數(shù)據(jù)和中間結(jié)果。

二、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）的特點(diǎn)

1、快速訪問速度

RAM的訪問時(shí)間非常短，通常在納秒級(jí)別，這使得它能夠快速響應(yīng)CPU的指令和數(shù)據(jù)請(qǐng)求。

2、易失性

RAM是一種易失性存儲(chǔ)器，這意味著一旦斷電，存儲(chǔ)在其中的數(shù)據(jù)就會(huì)丟失。這與硬盤驅(qū)動(dòng)器（HDD）或固態(tài)驅(qū)動(dòng)器（SSD）等非易失性存儲(chǔ)器形成對(duì)比。

3、隨機(jī)存取能力

與順序存取存儲(chǔ)器（如磁帶）不同，RAM允許隨機(jī)存取，即可以直接訪問存儲(chǔ)器中的任何位置，而無需先讀取前面的數(shù)據(jù)。

4、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)之分

RAM可以分為動(dòng)態(tài)RAM（DRAM）和靜態(tài)RAM（SRAM）。DRAM需要定期刷新電荷以保持?jǐn)?shù)據(jù)，而SRAM不需要刷新，因此速度更快，但成本也更高。

5、容量

RAM的容量可以從幾百KB到數(shù)GB不等，取決于應(yīng)用的需求和成本考慮。

6、成本

與其他類型的存儲(chǔ)器相比，RAM的成本相對(duì)較高，尤其是對(duì)于大容量的RAM。

7、可擴(kuò)展性

RAM可以通過添加更多的內(nèi)存模塊來擴(kuò)展容量。

8、多任務(wù)處理

RAM允許計(jì)算機(jī)同時(shí)運(yùn)行多個(gè)程序，因?yàn)樗梢源鎯?chǔ)多個(gè)程序的數(shù)據(jù)。

9、數(shù)據(jù)完整性

RAM在正常使用條件下不會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)損壞，除非發(fā)生硬件故障。

10、與CPU的直接交互

RAM直接與CPU交互，因此它的速度對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行速度至關(guān)重要。

三、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）的組成部分

隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）由存儲(chǔ)矩陣、地址譯碼器、讀/寫控制器、輸入/輸出、片選控制等幾部分組成：

1、存儲(chǔ)矩陣

隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）的核心部分是一個(gè)寄存器矩陣，用來存儲(chǔ)信息，稱為存儲(chǔ)矩陣。

2、地址譯碼器

地址譯碼器的作用是將寄存器地址所對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)譯成有效的行選信號(hào)和列選信號(hào)，從而選中該存儲(chǔ)單元。

3、讀/寫控制器

訪問隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）時(shí)，對(duì)被選中的寄存器進(jìn)行讀操作還是進(jìn)行寫操作，是通過讀寫信號(hào)來進(jìn)行控制的。讀操作時(shí)，被選中單元的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)線、輸入/輸出線傳送給CPU(中央處理單元);寫操作時(shí)，CPU將數(shù)據(jù)經(jīng)輸入/輸出線、數(shù)據(jù)線存入被選中單元。

4、輸入/輸出

隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）通過輸入/輸岀端與計(jì)算機(jī)的CPU交換數(shù)據(jù)，讀出時(shí)它是輸岀端，寫入時(shí)它是輸入端，一線兩用。由讀/寫控制線控制。輸入/輸出端數(shù)據(jù)線的條數(shù)，與一個(gè)地址中所對(duì)應(yīng)的寄存器位數(shù)相同，也有的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）芯片的輸入/輸出端是分開的。通常隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）的輸出端都具有集電極開路或三態(tài)輸出結(jié)構(gòu)。

5、片選控制

由于受隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）的集成度限制。一臺(tái)計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器系統(tǒng)往往由許多隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）組合而成。CPU訪問存儲(chǔ)器時(shí)，一次只能訪問隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）中的某一片(或幾片)，即存儲(chǔ)器中只有一片(或幾片)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）中的一個(gè)地址接受CPU訪問，與其交換信息，而其他片隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）與CPU不發(fā)生聯(lián)系，片選就是用來實(shí)現(xiàn)這種控制的。通常一片隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）有一根或幾根片選線，當(dāng)某一片的片選線接入有效電平時(shí)，該片被選中，地址譯碼器的輸出信號(hào)控制該片某個(gè)地址的寄存器與CPU接通;當(dāng)片選線接入無效電平時(shí)，則該片與CPU之間處于斷開狀態(tài)。

四、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）的類型

1、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）

a.DRAM的介紹

內(nèi)存是計(jì)算機(jī)運(yùn)行的基礎(chǔ)。當(dāng)與CPU結(jié)合使用時(shí)，可以運(yùn)行指令集（程序）和存儲(chǔ)工作數(shù)據(jù)。隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）是眾所周知的存儲(chǔ)器類型，因?yàn)樗軌蛞源笾孪嗤臅r(shí)間延遲訪問存儲(chǔ)器中的任何位置。動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）是一種特定類型的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，它允許以較低的成本獲得更高的密度。筆記本電腦和臺(tái)式機(jī)中的內(nèi)存模塊使用DRAM。

b.工作原理

DRAM使用電容存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，每個(gè)單元由一個(gè)晶體管和一個(gè)電容組成。由于電容會(huì)逐漸放電，因此需要定期刷新。

其實(shí)，DRAM是由RobertDennard于1966年在IBM發(fā)明，其工作原理與其他類型的內(nèi)存大不相同。DRAM中的基本存儲(chǔ)單元由兩個(gè)元件組成：晶體管和電容器。當(dāng)需要將一個(gè)位放入存儲(chǔ)器時(shí)，晶體管用于對(duì)電容器充電或放電。充電電容表示邏輯高或“1”，而放電電容表示邏輯低或“0”。充電/放電通過字線和位線完成，如下圖所示：

在讀或?qū)懫陂g，字線變高，晶體管將電容器連接到位線。位線上的任何值（“1”或“0”）都會(huì)從電容器中存儲(chǔ)或檢索。存儲(chǔ)在每個(gè)電容器上的電荷太小而無法直接讀取，而是由稱為感測放大器的電路測量。傳感器放大器檢測電荷的微小差異并輸出相應(yīng)的邏輯電平。從位線讀取的動(dòng)作迫使電荷流出電容器。因此，在DRAM中，讀取是破壞性的。為了解決這個(gè)問題，需要進(jìn)行一種稱為預(yù)充電的操作，將從位線讀取的值放回電容器中。

同樣有問題的是，隨著時(shí)間的推移，電容器會(huì)泄漏電荷。因此，為了保持存儲(chǔ)在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，必須定期刷新電容器。刷新就像讀取一樣，確保數(shù)據(jù)永不丟失。這就是DRAM從DRAM單元上的電荷獲得“動(dòng)態(tài)”名稱的地方，每隔一段時(shí)間就會(huì)動(dòng)態(tài)刷新一次。與SRAM（靜態(tài)RAM）形成對(duì)比，后者不需要刷新就可以保持其狀態(tài)。

c.應(yīng)用

由于成本較低，DRAM廣泛應(yīng)用于個(gè)人電腦、服務(wù)器和大多數(shù)需要大容量內(nèi)存的設(shè)備中。

d.刷新機(jī)制

DRAM需要定期刷新，以防止數(shù)據(jù)丟失。

2、靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM）

a.工作原理

SRAM使用觸發(fā)器（通常是雙穩(wěn)態(tài)電路）存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，不需要刷新。

b.應(yīng)用

SRAM通常用于高速緩存（如CPU緩存）和某些嵌入式系統(tǒng)中，因?yàn)樗脑L問速度比DRAM快。

c.成本

SRAM的成本比DRAM高，因?yàn)樗闹圃爝^程更復(fù)雜。

3、同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SDRAM）

a.工作原理

SDRAM是一種改進(jìn)的DRAM，它通過同步時(shí)鐘信號(hào)與系統(tǒng)總線同步，以提高數(shù)據(jù)傳輸速度。

b.應(yīng)用

SDRAM曾廣泛用于個(gè)人電腦和服務(wù)器，但隨著DDR RAM的出現(xiàn)，SDRAM的使用逐漸減少。

4、雙倍數(shù)據(jù)速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DDR SDRAM）

a.工作原理

DDR SDRAM在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)傳輸兩次數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)雙倍的數(shù)據(jù)傳輸速率。

b.應(yīng)用

DDR SDRAM及其后續(xù)版本（如DDR2、DDR3、DDR4）是目前個(gè)人電腦和服務(wù)器中使用最廣泛的RAM類型。

5、圖形隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（VRAM）

a.工作原理

VRAM是一種特殊類型的DRAM，它具有雙端口訪問能力，允許同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和寫入。

b.應(yīng)用

VRAM主要用于圖形處理，如圖形卡和視頻處理設(shè)備。

6、WRAM（Windows RAM）

a.工作原理

WRAM是一種特殊類型的RAM，它結(jié)合了DRAM和SRAM的特點(diǎn)，用于特定應(yīng)用，如便攜式設(shè)備的內(nèi)存。

b.應(yīng)用

WRAM因其低功耗和快速訪問速度，適用于需要長時(shí)間電池供電的設(shè)備。

五、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）應(yīng)用知識(shí)分享

以下是本章節(jié)主要跟大家分享的關(guān)于隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）應(yīng)用方面的內(nèi)容：

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六、主流存儲(chǔ)器技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

半導(dǎo)體存儲(chǔ)器可以簡單分成易失性存儲(chǔ)器和非易失性存儲(chǔ)器，易失存儲(chǔ)器在過去的幾十年里沒有特別大的變化，依然是以靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SRAM)、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)為主，非易失存儲(chǔ)器反而不斷有新的技術(shù)出來。除了主流的電荷捕獲(charge trap)存儲(chǔ)器外，還有鐵電存儲(chǔ)器(FRAM)、相變存儲(chǔ)器(PRAM)、磁存儲(chǔ)器(MRAM)和阻變存儲(chǔ)器(RRAM)

鐵電存儲(chǔ)器與DRAM類似，是基于電荷存儲(chǔ)機(jī)制，傳統(tǒng)的鐵電存儲(chǔ)器由于存在微縮化的問題，僅僅在0.13um節(jié)點(diǎn)以上，在RFID、汽車電子等小眾市場(niche market)上實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化。

新型的非易失存儲(chǔ)器PRAM、MRAM和RRAM主要通過器件電阻的變化來存儲(chǔ)信息。

主流的存儲(chǔ)器最重要市場份額有兩大類DRAM和NAND閃存。圖1給出了其市場的分布，目前DRAM行業(yè)基本上被三星、海力士和美光三家壟斷，大概占了全球市場的95%，NAND市場的壟斷情況更為嚴(yán)重，三星、東芝/閃迪、美光、海力士幾乎壟斷了整個(gè)NAND市場，占了全球市場的99.2%。

從技術(shù)的角度來看，DRAM發(fā)展過程中研究者也做了很多其他嘗試，例如嘗試capacitorlessDRAM，但遺憾的是都沒有成功，目前DRAM依然是一個(gè)選通晶體管加一個(gè)Capacitor的結(jié)構(gòu)。

在不斷微縮的過程中，選通晶體管可以像邏輯工藝一樣做，但Capacitor做起來非常難，所以DRAM現(xiàn)在到了1Xnm向1Ynm轉(zhuǎn)變的過程遇到了非常大的挑戰(zhàn)。目前，大容量、高帶寬、低功耗、低成本，是DRAM發(fā)展的一個(gè)趨勢，可以考慮從模塊封裝的角度做一些工作。國內(nèi)整體長期以來沒有在存儲(chǔ)器里做太多的投入，但也有個(gè)別企業(yè)通過裝機(jī)和試產(chǎn)階段，均在平穩(wěn)發(fā)展中。

所以，目前來說，NAND技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀主要有以下兩個(gè)方面:

1、2DNAND工藝已經(jīng)邁入1znm階段，三星14 nm、東芝12 nm、SK海力士13 nm、美光15nm已于2015年宣布量產(chǎn);

2、由于2D NAND縮放受限，自2014年開始，3D NAND技術(shù)進(jìn)入市場，目前Samsung和WD/Sandisk均已量產(chǎn)64層/512Gb的3DNAND，計(jì)劃量產(chǎn)96層3D NAND。

七、新型存儲(chǔ)器技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

1、磁存儲(chǔ)器(MRAM)

所有的新型存儲(chǔ)器都是從凝聚態(tài)物理基礎(chǔ)研究演變而來。MRAM(magnetic random accessmemory)最早是由巨磁阻效應(yīng)發(fā)展而來，磁科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)可以在很薄的一個(gè)磁性隧道結(jié)里展現(xiàn)出磁阻效應(yīng)，并且在很小的磁場下會(huì)有一個(gè)巨大的電阻變化?；驹砣鐖D示:這是一個(gè)固定層，自旋方向是固定的，中間是遂穿層，如果自由層的自旋方向與固定層一致，整個(gè)隧道結(jié)磁阻就比較小，反之磁阻就大，外加電場撤掉后，狀態(tài)依然維持，所以可以用于非易失存儲(chǔ)。磁存儲(chǔ)器有其他存儲(chǔ)器無法抗衡的優(yōu)點(diǎn)，疲勞特性好、速度快，當(dāng)然也存在一些問題，例如傳統(tǒng)的MRAM需要一個(gè)特別大的磁場。由磁場驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向更高性能的電流驅(qū)動(dòng)(STT-MRAM)，臨界電流密度和功耗仍需進(jìn)一步降低，電控磁化反轉(zhuǎn)是目前研究熱點(diǎn)。目前全球工業(yè)界給予MRAM很多關(guān)注，美國、歐洲、日本和韓國等政府及公司巨資投入開發(fā)，并依靠工藝突破保持技術(shù)領(lǐng)先，包括IBM.Seagate、WD、Headway、TDK、 Toshiba.Samsung、Honeywell、Sony、Toshiba等公司。

2、相變存儲(chǔ)器:(PRAM)

相變存儲(chǔ)器(phase-change random accessmemo，PRAM)，是一種新興的非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)。相變存儲(chǔ)材料在加熱的情況下可以在晶態(tài)和非晶態(tài)之間轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)在高阻態(tài)和低阻態(tài)的可逆轉(zhuǎn)變工業(yè)界對(duì)該項(xiàng)技術(shù)也投入了很大的力量，但非常遺憾，在平面的獨(dú)立式存儲(chǔ)上沒有獲得成功。2015年Intel和美光推出的3D Xpoint技術(shù)，為PRAM的量產(chǎn)帶來了新的生機(jī)，被譽(yù)為20年來存儲(chǔ)器領(lǐng)域革命性的新技術(shù)，揭開了存儲(chǔ)器層次架構(gòu)演變的新篇章，對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重構(gòu)與優(yōu)化具有深遠(yuǎn)的影響。與DRAM相比，3D X-point不需要刷新，另外DRAM的讀取過程是破壞性的，電荷會(huì)丟失，在讀操作后需要重新寫入數(shù)據(jù)，但3D X-point不需要，雖然速度慢一些，但比NAND快很多，同時(shí)它的密度又比DRAM大，幾乎可以與NAND相抗衡:

遺憾的是，3D X-point采用是平面堆疊的方式，不像3D NAND的垂直堆疊架構(gòu)，與之帶來的就是高成本，這也是3D X-point技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的局限性。另外，相變材料基本的原理，就是要在熱的作用下發(fā)生晶態(tài)和非晶態(tài)的轉(zhuǎn)變，所以它對(duì)溫度非常敏感，在高溫環(huán)境中的可靠性問題是一個(gè)挑戰(zhàn)。

3、阻變式存儲(chǔ)器(RRAM)

有關(guān)阻變式存儲(chǔ)器(resistive random accessmemory，RRAM)的第一篇論文也很早，JAP上有一篇文章是關(guān)于所謂電阻效應(yīng)的工作，但并沒有引起多少關(guān)注，因?yàn)楦薮抛栊?yīng)相比，它的物理重要性并沒有那么大。但在2000年的時(shí)候，休斯公司把一個(gè)專利賣給了夏普公司，由此引發(fā)RRAM研究熱潮隨后學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都在這方面開展了廣泛的研究工作，RRAM技術(shù)得到了快速發(fā)展，

同時(shí)RRAM作為嵌入式存儲(chǔ)器已經(jīng)在一些領(lǐng)域得到應(yīng)用，特別是到22 nm節(jié)點(diǎn)以后，eFlash在嵌入式應(yīng)用面臨挑戰(zhàn)，基于后段工藝集成的新型存儲(chǔ)器RRAM、MRAM將成為嵌入式存儲(chǔ)的主要技術(shù)方案。臺(tái)積電2017年就宣布，2019年開始在嵌入式應(yīng)用里，RRAM和MRAM都將試產(chǎn)。

目前來看，這兩個(gè)技術(shù)(MRAM、RRAM)在嵌入式應(yīng)用里的相對(duì)來說更有可能進(jìn)入量產(chǎn)。新型存儲(chǔ)器現(xiàn)在可能還找不到能夠像當(dāng)年的3D NAND或NAND的應(yīng)用場景，但的確他們有各自的優(yōu)勢和勢找到自己的應(yīng)用。

八、非易失（Non-Volatile）存儲(chǔ)器發(fā)展趨勢

傳統(tǒng)的閃存技術(shù)獲得巨大成功，但隨著器件尺寸的不斷縮小，遂穿層厚度難以同步減小。如下圖所示，未來非易失存儲(chǔ)器有以下兩種不同的技術(shù)發(fā)展路線：

1、將導(dǎo)電的多晶硅存儲(chǔ)層換成分布式的存儲(chǔ)介質(zhì)，這樣可以降低對(duì)阻擋層厚度的要求，能夠把電子禁錮在存儲(chǔ)層里，這種技術(shù)叫電荷俘獲存儲(chǔ)。

2、拋棄原有結(jié)構(gòu)，采用兩端器件作為基本存儲(chǔ)單元。

而在集成架構(gòu)方面，獨(dú)立式存儲(chǔ)如果無法實(shí)現(xiàn)三維集成，集成密度將無法提升。電荷俘獲存儲(chǔ)器是3D NAND的基礎(chǔ)器件，實(shí)現(xiàn)了三維集成。同樣的道理，新型存儲(chǔ)器如何無法實(shí)現(xiàn)三維集成將很難在獨(dú)立市場上得到應(yīng)用，三維集成是高密度存儲(chǔ)器發(fā)展的主要方向。

九、磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（MRAM）的介紹

其實(shí)在本章節(jié)講到“磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（MRAM）”是屬于一個(gè)題外話，但因?yàn)樯厦嬷v到非易失性（Non-Volatile）存儲(chǔ)，所以就不得不講到這個(gè)了。

因?yàn)榘殡S著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等應(yīng)用的興起，存儲(chǔ)器也面臨著革新。傳統(tǒng)的DRAM受限于EUV的發(fā)展，平面NAND也面臨著微縮的限制，而最終采取垂直方向上朝著3D方向發(fā)展。在傳統(tǒng)存儲(chǔ)技術(shù)接受挑戰(zhàn)的過程中，類似于MRAM等新型存儲(chǔ)技術(shù)也開始逐漸在市場上嶄露頭角。

據(jù)相關(guān)資料介紹，磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器MRAM（Magnetic Random Access Memory） 是一種非易失性（Non-Volatile）的磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器。MRAM擁有靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM）的高速讀取寫入能力，以及動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）的高集成度，而且基本上可以無限次地重復(fù)寫入。

與傳統(tǒng)的RAM技術(shù)不同，MRAM不以電荷或電流存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，而是由磁性隧道結(jié)MTJ （Magnetic tunnel junction）磁性存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。MTJ 是MRAM的基本存儲(chǔ)單元，其核心部分是由兩個(gè)鐵磁金屬層（典型厚度為1~2.5nm）夾著一個(gè)隧穿勢壘層（絕緣材料，典型厚度為1~1.5nm）構(gòu)成類似于三明治結(jié)構(gòu)的納米多層膜。其中一個(gè)鐵磁層被稱為參考層或固定層，它的磁化沿易磁化軸方向固定不變。另一個(gè)鐵磁層被稱為自由層，它的磁化有兩個(gè)穩(wěn)定的取向，分別與參考層平行或反平行。

MRAM中記憶單元MTJ則是由多層的磁性、氧化物、金屬等薄膜所構(gòu)成。MTJ產(chǎn)生記憶單元所需磁矩的物理特性，則是由磁性薄膜與氧化層的界面效應(yīng)所決定，MTJ的元件表現(xiàn)深受薄膜質(zhì)量所影響。

對(duì)于MTJ薄膜的研究可追溯至1975年，當(dāng)年，法國學(xué)者Julliere在低溫下成功觀測到隧穿磁阻效應(yīng)（自由層的取向?qū)⑹勾潘淼澜Y(jié)處于低阻態(tài)或高阻態(tài)，該現(xiàn)象被稱為隧穿磁阻效應(yīng)），但在當(dāng)時(shí)并未引起較多的關(guān)注，此后的研究進(jìn)展也極其緩慢，原因是當(dāng)時(shí)的工藝水平難以制備出高質(zhì)量的納米薄膜。

而今，伴隨著人工智能的應(yīng)用，使得存儲(chǔ)技術(shù)需要更進(jìn)步一發(fā)展。在非易失性存儲(chǔ)器、邏輯電路和神經(jīng)形態(tài)計(jì)算等應(yīng)用驅(qū)動(dòng)下，存儲(chǔ)器得到了廣泛的研究，MRAM也是未來存儲(chǔ)發(fā)展的方向之一。而在這個(gè)過程中，高質(zhì)量薄膜的制備又重新被人們所重視。

在這當(dāng)中，氧化物半導(dǎo)體薄膜充當(dāng)了重要角色。為什么要摻雜氧化物？氧化物半導(dǎo)體材料的平衡組成因氧的壓力改變而改變，氧原子濃度決定其導(dǎo)電的類型。由于金屬和氧之間的負(fù)電性差別較大，化學(xué)鍵離子性成分較強(qiáng)，破壞這樣一個(gè)離子鍵要比共價(jià)鍵容易，使它含有的點(diǎn)缺陷濃度較大，所以化學(xué)計(jì)量比偏離對(duì)材料的電學(xué)性質(zhì)影響也大。如化學(xué)計(jì)量比偏離缺氧時(shí)（或金屬過剩時(shí)），則此氧化物半導(dǎo)體材料即呈現(xiàn)n型，此時(shí)氧空位或間隙金屬離子形成施主能級(jí)而提供電子，屬于此類半導(dǎo)體材料的有ZnO、CdO、TiO2、Al2O3、SnO等。

正離子n-p對(duì)在氧化物中的磁化機(jī)理可解釋為，兩個(gè)磁性摻雜劑可以在氧空位周圍穩(wěn)定，并且被鐵磁耦合以形成局部磁極化子。 此外，電子摻雜起到雙重作用，即進(jìn)一步增強(qiáng)局部極化子的鐵磁穩(wěn)定性，并介導(dǎo)兩個(gè)極化子之間的非局域磁耦合。

以陽離子負(fù)離子n-p（V-N）共摻雜ZnO薄膜為例，V4 +和V5 +共存是n型摻雜劑以取代Zn2 +，N3-作為p型摻雜劑代替O2-。這是在氧化物中固定的非常有效的方法。

十、總結(jié)一下

總之，隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中至關(guān)重要的組件之一。它具有快速、可靠和隨機(jī)訪問的特點(diǎn)，并且廣泛應(yīng)用于各種類型的計(jì)算機(jī)和設(shè)備中。

而存儲(chǔ)器應(yīng)用廣泛，市場非常龐大，又是國家戰(zhàn)略性高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。新的存儲(chǔ)技術(shù)層出不窮，在新型存儲(chǔ)器研究方面，國內(nèi)的基礎(chǔ)研究走在了前列，也希望基礎(chǔ)研究的優(yōu)勢能夠轉(zhuǎn)化成未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的優(yōu)勢，抓住存儲(chǔ)器技術(shù)發(fā)展多元化的新機(jī)遇及國家大力發(fā)展存儲(chǔ)器產(chǎn)業(yè)的契機(jī)，實(shí)現(xiàn)突破。兼顧自主創(chuàng)新和國際合作兩者要有一個(gè)共贏的模式;同時(shí)在產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新形勢下更要注重原始創(chuàng)新;鼓勵(lì)原始創(chuàng)新/技術(shù)突破，開展共性基礎(chǔ)研究為產(chǎn)業(yè)自主發(fā)展奠定基礎(chǔ)。中國最大的優(yōu)勢就是市場需求，面向中國市場需求是創(chuàng)新跨越的新機(jī)遇，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器技術(shù)的跨越式發(fā)展。

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審核編輯 黃宇