存储大变局，四类新型存储同台竞技

新一代非易失性存储（NVM）技术，有望在先进工艺节点的嵌入式场景中逐步取代闪存。磁随机存储器（MRAM）与阻变存储器（RRAM）成为两大主流备选方案，相变存储器（PCRAM）则仅适用于成熟老旧工艺节点，发展空间持续收窄。

与此同时，还有一家企业研发出一款全新存储单元，性能甚至有望替代DRAM；铁电存储器（FeRAM）也在持续蓄力，等待商用时机。

RRAM与MRAM未来大概率长期共存：RRAM成本更低，MRAM读写速度更快、极端环境耐受性更优。二者对比嵌入式闪存优势显著，尤其适配先进制程；但受NAND闪存巨大成本优势制约，短期内无法撼动独立闪存市场。任何全新存储单元技术，都需要漫长周期才能获得全行业认可。

产业链转向新型存储的核心诱因之一，是闪存供给持续收紧、价格大幅走高。“未来数年，HBM、DRAM、NAND全部面临近乎无止境的需求缺口。”Everspin销售副总裁Sean Dougherty表示，“头部存储厂商将绝大部分产能定向供给少数大客户，削减甚至退出其他行业的供货。”

三大老牌新型存储赛道竞争格局

过去几年产业化进度最受关注的三类非易失存储分别为MRAM、RRAM、PCRAM。MRAM早已实现独立存储芯片量产，不过仅应用于特种场景；PCRAM技术最早起源于音乐光盘存储介质，作为芯片存储器落地困难重重；RRAM问世时间相对更晚，但产业化推进速度持续加快。

“MRAM主打高速、高耐久嵌入式场景，例如断电可保存数据的常驻内存。”联电区域营销副总裁Suhail Zain说道。RRAM依托成本优势，适配更广泛系统。“RRAM多用于通用型嵌入式非易失存储，例如物联网微控制器固件存储、电源管理芯片配置存储等场景。”

表1：联电量产RRAM与MRAM性能参数对比

“MRAM与RRAM的商用规模都在持续扩张。”新思科技嵌入式存储首席产品经理Daryl Seitzer称，“成熟度层面，MRAM产业化动作十分密集；RRAM商业化落地也在提速，力旺、英飞凌均已推出搭载嵌入式RRAM的微控制器产品。”

尽管研发多年，PCRAM在本轮竞争中逐渐掉队。目前市场暂无成熟商用产品，厂商也未规划将其移植至鳍式场效应晶体管（FinFET）及更先进工艺节点。新思科技可为嵌入式存储提供编译工具，只要客户存在需求，同样能适配PCRAM。“目前没有客户明确提出，需要把PCRAM集成进芯片、配套专用编译工具做芯片设计。”Daryl Seitzer表示。

业内其他从业者观点一致。“PCRAM仅在平面CMOS工艺实现商用。”英飞凌嵌入式控制器技术概念杰出工程师Robert Wiesner称，“行业暂无将PCRAM导入FinFET工艺的研发项目，RRAM、MRAM相关研发却在持续推进。”

工艺微缩能力成为核心竞争分水岭

MRAM与RRAM快速崛起的关键优势，是能够适配更小先进工艺节点。闪存的工艺微缩能力止步于28纳米，仅依靠3D堆叠架构维持成本优势，单价远低于所有新型存储。闪存市场地位稳固，各类新型存储均无意与其正面竞争独立存储赛道。

“独立闪存具备极强成本优势，市场几乎没有厂商采购独立MRAM、RRAM芯片。”Daryl Seitzer表示。

独立存储领域闪存一家独大，但嵌入式存储赛道局势完全反转。“28纳米及FinFET等先进工艺集成嵌入式闪存的难度大幅提升。”Robert Wiesner解释，“工艺复杂度陡增，进一步微缩的空间近乎枯竭。”

正因如此，MRAM、RRAM被视作嵌入式存储最优解。二者相比嵌入式闪存，新增制造工序更少，且支持字节寻址——这一特性是NAND闪存不具备。NOR闪存同样支持字节寻址，普遍用于微控制器存储程序代码；但如果微控制器需要采用FinFET先进工艺，NOR闪存将无法集成，这正是MRAM与RRAM的核心机会。

“两类存储的共同优势是主要制程集中在芯片后端，只需少量新增掩膜层，就能便捷集成至现有逻辑芯片平台。”Suhail Zain说道。

三星、台积电、格芯等晶圆厂均推出嵌入式MRAM与嵌入式RRAM工艺。“商用项目客户优先选用RRAM；工业、汽车等看重性能与可靠性的场景，则普遍选择MRAM。”Everspin首席执行官Sanjeev Aggarwal表示。

各大晶圆厂均将两类存储纳入长期技术路线图。“RRAM主打高性价比，替代代码存储型闪存；MRAM兼具高耐久特性，可作为类SRAM高速数据存储介质。”Robert Wiesner称。

Daryl Seitzer对此表示认同：“台积电技术路线图已覆盖12纳米、6纳米节点嵌入式MRAM。”

能否替代SRAM？

不少企业尝试用新型存储替代SRAM，核心痛点是SRAM占用芯片面积过大。“工艺不断迭代，但嵌入式SRAM存储密度难以提升，存储单元持续挤占芯片面积，推高整体制造成本。”Sean Dougherty说道。

行业主流目标，是用新型非易失存储充当末级高速缓存。“MRAM读取速度不及SRAM。”格芯产品管理副总裁Jamie Schaeffer称，“无法实现皮秒级读取，但读取时延可做到10皮秒左右。”

MRAM与RRAM性能各有侧重，但应用场景高度重叠。MRAM适配航空航天、汽车等严苛极端环境；若工艺调校侧重读取速度，性能可超越RRAM，覆盖多元应用领域。

不过新型存储制造管控标准极为严苛。“绝大多数新兴非易失存储可复用现有半导体产线设备，但独特的集成工艺要求，大幅抬高制程管控门槛。”泛林全球产品管理工程高级总监Anish Khandekar表示，“例如MRAM图形化需要离子束刻蚀精准刻蚀多层磁性薄膜，常规等离子刻蚀无法满足材料加工需求；同时器件受后端热预算严格限制，必须配套高精度低温化学气相沉积（CVD）、原子层沉积（ALD）工艺，材料研发难度也大幅提升。”

MRAM主打读写性能优势

MRAM主要分为三代技术路线。ToggleMRAM问世最早，由Everspin实现独立存储芯片商用；当前主流量产方案为自旋转移力矩MRAM（STT-MRAM），存储单元尺寸更小。其读写耐久度与性能存在取舍关系，厂商会根据应用需求定向调参优化。

MRAM读写速度快、循环耐久高，现有Toggle型产品大量用于数据持续写入记录场景。“无需磨损均衡算法，也不用配套外部电池、电容维持数据。”Sean Dougherty解释。

“耐久度与性能存在权衡关系，但差异并非来自底层工艺，而是写入驱动的调校方式不同。”Daryl Seitzer说道。

第三代自旋轨道力矩MRAM（SOT-MRAM）旨在解决STT-MRAM的性能取舍难题，目前仍处于实验室研发阶段，距离商业化还有数年。“据我所知，目前尚无成熟商用SOT-MRAM产品。”Sean Dougherty表示。

技术选型核心取决于业务负载与应用需求。“MRAM属于后端集成存储，是非易失存储中读写速度第一梯队产品。”Suhail Zain称，“非常适合运行环境稳定的断电常驻内存场景，例如航空航天、带屏蔽防护的车载系统。”

业内观点一致。“MRAM适配工况严苛的车载微控制器、工业自动化设备。”Jamie Schaeffer表示。

“我们认为MRAM将在边缘AI领域发挥重要作用。边缘AI嵌入式系统对存储密度、读写性能要求极高。”Sean Dougherty说道。

但行业对于外部磁场是否会干扰MRAM运行存在分歧。ToggleMRAM易受磁场影响，成品会搭配屏蔽封装；Everspin称STT-MRAM材料本身具备天然抗磁干扰能力，但产业链仍普遍存在顾虑。

“部分应用场景中，MRAM的磁敏感性是关键风险点，生产、终端使用环节均有磁场指标限制。”Robert Wiesner表示。

唯一量产独立MRAM芯片的厂商Everspin持不同观点。“我们自研STT-MRAM采用的材料本身自带抗磁特性，不受外部磁场影响。”Sanjeev Aggarwal称。

RRAM主打低成本路线

RRAM分为两大技术分支：导电桥存储器（CBRAM）依靠在介质层内生成、熔断金属导电丝实现存储切换；氧化阻变存储器（OxRAM）通过调控介质内氧空位完成开关。OxRAM产业化优势更突出，现已集成至多款商用微控制器。

“OxRAM适配晶圆厂大批量集成需求，核心材料为CMOS工艺通用金属氧化物，搭配惰性电极，后端集成更洁净、污染风险更低。”Suhail Zain解释，“CBRAM依靠活性金属离子电化学迁移形成导电通道，易出现金属扩散污染，工艺窗口狭窄，逻辑产线可靠性管控难度更高。”

OxRAM环境耐受性同样优于CBRAM。“OxRAM依靠氧空位、导电丝调控完成开关，无需反复电镀、溶解金属细丝，高温数据保存能力、工况稳定性更强。”Suhail Zain说道，“更适合需要高温长期保存数据、宽温稳定运行的场景。”

RRAM读取速度优异，但OxRAM写入速度存在短板。“写入速度接近闪存，部分工况下甚至更慢。”Sanjeev Aggarwal表示，“虽无需整块擦除操作，但单次写入耗时依旧很长。”

RRAM核心优势是工艺简单、单元面积更小。“RRAM制程十分简洁，后端堆叠仅需小型电容结构（底电极、介质、顶电极），搭配标准CMOS选通管，无需稀有材料、专用特种设备。”Robert Wiesner称。

“RRAM与前道CMOS工艺兼容性极佳，适配300毫米晶圆嵌入式非易失存储片上系统平台，广泛用于微控制器；同时可集成至BCD（双极-CMOS-DMOS）、嵌入式高压等特色工艺。”Suhail Zain补充道。

英飞凌选定RRAM作为28纳米以下节点微控制器嵌入式存储方案。“英飞凌与台积电联合开发的ATV系列RRAM，完全满足传统嵌入式闪存的全部性能指标。”Robert Wiesner介绍，该产品175℃高温下数据保存时长超1000小时（等效125℃环境8年、40℃环境20万年），支持25万次程序改写，读取时延15.2纳秒，工作温度区间-40℃至160℃，产品品质等级优异。

英飞凌认为RRAM量产难度低于MRAM，同时也在研发MRAM方案，用于替代数据存储类SRAM。

低调量产的FeRAM铁电存储器

铁电存储器（FeRAM）研发周期漫长，现已针对细分特种场景实现商用。核心介质具备两种稳定结晶极化状态，等效电容结构被CEA-Leti命名为铁电电容（FeCap）。

FeRAM最大优势是超高循环耐久。“如果设备需要持续高频写入、同时断电留存数据，FeRAM是理想选择，现已商用落地于各类数据记录产品。”法国电子与信息技术实验室CEA-Leti集成器件工程师Laurent Grenouillet表示。

FeRAM写入功耗极低。“铁电存储仅需向铁电电容施加电压即可完成写入，几乎无电流损耗；阻变存储需要导通电流，能耗通常高出百倍。”Laurent Grenouillet解释。

当前FeRAM产业化最大瓶颈是工艺微缩能力。“传统商用FeRAM采用锆钛酸铅（PZT）材料，无法进一步缩小制程，量产工艺止步130纳米。”Laurent Grenouillet称，“PZT与CMOS工艺不兼容，无法采用原子层沉积（ALD）制备薄膜。”

CEA-Leti近期实现技术突破，采用铪锆氧化物（HZO）存储单元，成功完成22纳米FeRAM流片。HZO是晶圆厂成熟通用材料，支持ALD薄膜沉积。团队当前采用7纳米超薄薄膜，持续攻关5纳米、4纳米更小节点。

“嵌入式FeRAM集成仅需新增2至4层掩膜。”Laurent Grenouillet表示，“20纳米工艺下，存储单元面积仅为SRAM的1/2.5。”

铁电电容采用垂直结构，形态近似DRAM电容，高度可达1微米。“铁电电容面积越大，存储窗口容错余量越高。”Laurent Grenouillet说道。

美光数年前研发32Gb FeRAM，命名NVDRAM，定位非易失DRAM，性能对标标准DRAM，但至今未实现商用落地，暂无法判断是技术缺陷还是企业资源优先级调整所致。

全新存储单元架构：UltraRAM

初创企业Quinas推出一款区别于所有现有非易失存储的全新存储单元，命名UltraRAM。同样采用浮栅架构，但电子隧穿机制完全创新。“UltraRAM属于化合物半导体浮栅存储，可看作三五族材料版闪存，但电荷传输底层机理完全不同。”Quinas首席执行官JamesAshford-Pook介绍，“传统闪存依靠电子隧穿氧化介质层，UltraRAM通过特制三五族异质结构实现量子共振隧穿。”

“上层为浮栅，下层沟道结构与闪存相近。”Quinas首席技术官PeterHodgson解释，“闪存依靠介质层阻隔电荷、防止浮栅漏电；我们利用量子力学特性，器件无外加电压时阻抗极高，施加2.5伏电压即可驱动电子在结构内双向共振隧穿。”

UltraRAM单元内置三层锑铝势垒，隔离两层砷化铟量子阱。“零电压下两层量子阱基态能级轻微错位，电子无法在沟道与浮栅之间迁移。”PeterHodgson说明。

Quinas UltraRAM存储单元结构

隧穿薄膜厚度极薄，一层仅4个单原子层，另一层17个单原子层，该尺度下量子效应起主导作用。“电子同时分布于薄膜各处，电子波函数贯穿整套器件结构。”PeterHodgson称。

存储单元材料与标准CMOS产线不兼容，需依托三五族化合物半导体晶圆厂制造。“我们采用6.1埃晶格常数系列半导体，锑化镓、砷化铟、锑化铝晶格常数均接近6.1埃。”PeterHodgson解释，“硅基产线将这类材料视作污染源，但光电二极管、激光器、光电器件领域应用十分广泛。”

配套控制逻辑电路成为落地难点，Quinas规划两条技术路线：一是单独制作硅基控制芯片，与三五族存储芯片键合集成；二是直接在三五族晶圆上制备逻辑电路。

企业宣称产品数据保存周期极长，循环耐久测试完成1000万次无性能衰减。“理论上数据永久留存。”PeterHodgson表示，“论文中未直接标注永久存储，避免引发争议，测试曲线线性延伸可至万年，足以覆盖所有存储场景需求。”

数据保存、耐久性能优异的核心原因是编程写入能量极低，区别于热载流子注入、福勒-诺德海姆隧穿等损伤型写入机制。“写入过程注入能量极少，器件几乎不会产生老化损伤。”PeterHodgson解释。

存储单元必须依托三五族产线制造，产能受相关工厂规模制约。“这并非根本性技术壁垒，仅为制造策略需要考量的关键因素。”JamesAshford-Pook称，“初期目标市场定向小批量、高附加值领域，能效、耐久、断电保存优先级高于单位比特成本。”

对标DRAM的极致性能

Quinas目前仅完成大尺寸测试片验证，缩小至量产节点后性能将进一步提升。“工艺微缩至20纳米后，器件开关时延可达1纳秒，性能对标DRAM，甚至小幅领先。”PeterHodgson预测。

与美光FeRAM项目初衷一致，UltraRAM最初定位替代DRAM。读取速度具备竞争力，无需刷新操作，等效读取速度更快、功耗低于DRAM；存储单元面积理论值6F²，成本优势突出，迭代至4F²后性价比进一步提升。

企业当前调整研发重心，发力神经形态计算。该存储单元支持多阶电平存储，有望实现存内计算（IMC）；现阶段市场体量较小，便于企业平缓扩产。

存储行业对颠覆性新技术态度极度保守，企业需要完整验证方案、解决全部潜在缺陷，才能获得产业链认可。在存储单元可靠性验证期间，Quinas同步开发整套制造流程、存储架构及配套数字控制逻辑，预计2029年正式推向市场。

存储赛道格局日趋复杂

长期以来，行业仅有DRAM、闪存、SRAM三类基础存储，其他新技术均未实现大规模量产。如今行业格局迎来巨变。搭载MRAM、RRAM的微控制器已批量出货，两类新型存储正式迈入大规模商用市场；但二者暂无独立芯片产品。反观PCRAM，产业化进程基本停滞。

FeRAM受制于工艺微缩瓶颈发展缓慢，但现有材料路线突破有望扭转局面；作为非易失存储潜力可观，若能实现DRAM级性能，将开辟海量全新市场。

Quinas自研UltraRAM初期主攻特种细分市场，远期目标打造通用型存储。现阶段技术雏形亮眼，但仍有大量研发工作待落地，最终市场表现存在两种极端可能性：要么不及预期，要么彻底重塑存储行业，答案将在数年后揭晓。