应用材料公司：以材料工程为基石加快新型存储器技术，助力物联网、云计算领域的应用

物联网、大数据、人工智能，在某种程度上已经是现代科技的有力代名词。2019年7月25日应用材料公司的新产品说明会上，应用材料公司半导体中国区事业部总经理、首席技术官赵甘鸣博士及应用材料公司金属沉积产品全球产品经理周春明博士为威廉希尔 官网app 记者介绍了应用材料公司新型芯片制造系统。新系统以原子级的精度沉积新型材料，从而解决生产以MRAM、ReRAM和PCRAM为代表的新型存储器的核心难题，加速面向物联网(IoT)和云计算的工业应用进程。

　　应用材料公司金属沉积产品全球产品经理 周春明博士（左）

　　应用材料公司半导体中国区事业部总经理、首席技术官 赵甘鸣博士(右)

“摩尔定律”准确定义：性能÷功率÷（面积x成本）

众所周知，“摩尔定律”持续推动半导体产业发展。然而在过去几年，技术节点的提升却在逐渐的减缓，目前整体趋势已经越来越逼近极限。现阶段从14纳米到10纳米，需要近四年的时间，从10纳米到7纳米、5纳米，时间之长投入之大更是不言而喻。半导体产业发展所面临的挑战是成本越来越高、时间越来越长，实现的性能提高的几率越来越小。所以在物联网、工业4.0、人工智能时代，目前的计算架构已经无法满足未来发展的需求。

　　（图片来源：应用材料公司）

我们所认知的“摩尔定律”指的是，集成电路上可容纳的晶体管的数量，约每隔18~24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。然而在目前状态下，在实现上不仅仅依靠算力、晶体管数，其决定性的关键参数也更加精密复杂。

“摩尔定律”现在准确的定义是：性能÷功率÷（面积x成本），通过公式计算后得出的结果如果在两倍的节点上，这就是节点、制程的跃进。目前实现延续“摩尔定律”主要依靠的是新架构、新材料或利用加速器提高算力的方式。

目前，应用材料公司已经做到了显著提高晶体管的性能。应用材料公司目前致力于在材料工程的基础上解决关键技术问题、实现产品需求。

新型存储器助力物联网、云计算

新型的存储器包括MRAM、ReRAM、PCRAM，和传统存储器相比，后者具有许多独特的功能和优势。新型存储器与传统存储器结合优势在于，不仅可以利用新型存储器与现有的构建模块相结合，同时新型存储器也可以替未来的科技发展打下良好基础。

（图片来源：应用材料公司）

MRAM（磁性随机存取存储器）其架构比较简单，它的存储单元可以直接嵌入后端的互联当中，因此不额外占用“硅”的面积，可嵌入到逻辑的电路中，保证体积的小巧。PCRAM和ReRAM方面，PCRAM是相变随机存取存储器， ReRAM是电阻随机存取存储器。两类存储器与MRAM类似可以做嵌入式应用，但其主要优势在于可以和NAND一样实现3D的架构不受限于两维，从而增大容量、降低成本。

针对物联网一般采用边缘终端、边缘设备。目前架构是逻辑与SRAM之后加入闪存用来存储算法、软件、代码。最关键的性能参数在功耗方面，功耗决定使用时长。

　　（图片来源：应用·材料公司）

新型存储器MRAM目前可以部分替代SRAM，相比之下SRAM的耗电量比较大（SRAM不工作状态下依旧耗电、漏电），如果运用在边缘计算或物联网方面，SRAM待机状态下的能耗较高。闪存方面大同小异，功耗依旧是最大的顾虑。MRAM则不同，可以同时降低两方功耗，MRAM在待机状态不耗电（非易失性存储器）。另外，其价格也要低于闪存。

应用材料公司新型 Endura® 平台有效助力计算行业

应用材料公司半导体产品事业部高级副总裁兼总经理 Prabu Raja 博士表示：“广泛的产品组合为我们带来得天独厚的优势，使我们能成功地将多种材料工程技术与机载计量技术相集成，打造出前所未有的新型薄膜和结构。这些集成化平台充分展示了新材料和 3D 架构能够发挥关键的作用，并以全新的方式帮助计算行业优化性能、提升功率并降低成本。”

应用材料公司的新型 Endura® Clover™ MRAM PVD 平台由 9 个特制的工艺反应腔组成，这些反应腔全部集成在高度真空的无尘环境下。这是业内首个用于大规模量产的 300 毫米 MRAM 系统，其中每个反应腔最多能够沉积五种不同材料。MRAM 存储器需要对至少 30 层的材料进行精确沉积，其中有些层的厚度比人类的发丝还要薄 500,000 倍。即使仅有原子直径几分之一的工艺变化，也会极大地影响器件的性能和可靠性。Endura® Clover™ MRAM PVD平台引入了机载计量技术，能够以亚埃级灵敏度对所产生的 MRAM 层的厚度进行测量与监控，从而确保实现原子级的均匀度并规避接触外界环境的风险。

（图片来源：应用材料公司）

对于PCRAM 和 ReRAM的制造，应用材料公司专门为 PCRAM 和 ReRAM 打造的 Endura® Impulse™ PVD 平台包含九个真空工艺反应腔，并集成了机载计量技术，能够对这些新型存储器中使用的多组分材料进行精确沉积和控制。

（图片来源：应用材料公司）

“能够对 ReRAM 存储器中使用的新材料进行非常均匀的沉积，是最大程度提升器件性能、可靠性和耐用性的关键所在。”Crossbar 公司首席执行官兼联合创始人 George Minassian 表示，“与存储器和逻辑领域的客户开展 ReRAM 技术合作时，我们会指定使用应用材料公司搭载机载计量技术的Endura® Impulse™ PVD平台，因为这款平台在上述重要指标上都实现了巨大突破。”

小结

随着人工智能和大数据的发展，摩尔定律扩展的趋缓，造成硬件开发和投资的复兴。如MRAM、ReRAM 和PCRAM等新的存储器技术兴起，便是芯片与系统设计人员都致力研究的关键领域。这些新型存储器提供更多工具来增强近存储器计算(Near Memory Compute),也是下一-阶段存储器内计算(In-Memory Compute)的建构模组。

对于提高需算效率方面，新型存储器的介入不失为一大助力，新型存储器所面临的痛点在于实现大规模量产也就是制造方面的挑战。此次应用材料公司发布的两款Endura系统，配合机载计量技术得以协助新型存储器的大规模量产成为可能。