隨著對更快、更便宜的非易失性存儲器替代品的需求持續(xù)增長，電阻式RAM正重新受到關(guān)注，尤其是在汽車等應(yīng)用中。

　　嵌入式閃存長期以來一直讓設(shè)計人員希望更高的寫入速度和更低的能耗，但隨著該技術(shù)的領(lǐng)先優(yōu)勢縮小到28納米，另一個問題出現(xiàn)了。制造這樣尺寸的閃存可能需要十幾個掩模，這增加了成本。除此之外，閃存要求前端有較高的熱預(yù)算和相對較高的電壓。

　　這是潛在競爭對手看到潛在機會的地方，他們正在利用這個機會ReRAM。ReRAM支持者的一個關(guān)鍵論點是，一些新應(yīng)用要求更高的性能，而僅僅通過擴展閃存已無法實現(xiàn)更高的速度。

　　對于新來者和新技術(shù)來說，傳統(tǒng)上存在根深蒂固參與者的存儲器市場很難打破，部分原因是很難在成本基礎(chǔ)上與已經(jīng)完全折舊其晶圓廠和設(shè)備的芯片制造商競爭，部分原因是現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)被證明隨著時間的推移效果良好。最重要的是，在不止一個參與者的市場中，公司不斷創(chuàng)新以保持競爭力。因此，如果這些其他技術(shù)能夠獲得穩(wěn)固的立足點，它可能會在NOR閃存市場的高端，那里有新的機會和更高的ASP，而不是在NOR可能仍然可行的主流市場。

　　在許多汽車應(yīng)用中尤其如此，因為成本是一個關(guān)鍵因素。“一輛典型的汽車大約有20個閃光燈，”谷歌營銷副總裁杰克遜·黃說華邦。“一輛車6到8個攝像頭都有閃光燈。儀表組使用閃光燈，信息娛樂系統(tǒng)也是如此。并且MCU帶有一些內(nèi)置的閃存。但真正推動這一市場的是，在過去幾年中，隨著無線圖像的出現(xiàn)，閃存的使用量顯著增加，無論是密度還是單位出貨量。通常最少有2幅圖像，通常是3幅。你有一個默認(rèn)的圖像，以防出現(xiàn)問題，你有當(dāng)前運行的圖像，你有以前的圖像?！?/p>

　　Xi-林煒，應(yīng)用工程總監(jiān)，電子設(shè)計自動化集團新思科技同樣也看到了一個多種選擇的未來?！癛eRAM可以用作物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的嵌入式存儲器或MCU中的獨立單元，”他說。ReRAM不受磁攻擊的影響，因此它可能對特殊環(huán)境中的應(yīng)用或獨特的安全需求有用。NVM將繼續(xù)成為特定應(yīng)用的選擇，這取決于性能、功率、可靠性、密度、外形和成本。在我看來，總是要做出權(quán)衡，沒有放之四海而皆準(zhǔn)的解決方案?！?/p>

　　市場研究支持這些結(jié)論。根據(jù)Business Market Insights的數(shù)據(jù)，NOR市場正以14%的CAGR增長，預(yù)計到2028年將達到16.4億美元。與此同時，根據(jù)Data Bridge Market Research的數(shù)據(jù)，ReRAM的價值將在未來幾年超過NOR，CAGR增長率為17.2%，預(yù)計到2030年將達到21.6億美元。公司仍然看好所有這些記憶，特別是考慮到異構(gòu)集成和快速增長的數(shù)據(jù)量。

　　Numen首席執(zhí)行官Jack Guedj表示：“下一代永久存儲器和傳統(tǒng)NOR閃存有許多好處，但它們的耐用性低，寫入性能差?！皩τ谀承?yīng)用程序來說，讀取性能太慢，而活動讀取功率太高。這意味著SoC設(shè)計人員要么直接從這些存儲器中讀取/寫入，要么添加一個大SRAM存儲器來緩沖電阻RAM，從而在性能和功耗方面付出沉重代價。”

　　ReRAM在惠普放棄努力的情況下受到了打擊，近年來已經(jīng)成熟?，F(xiàn)任者和初創(chuàng)企業(yè)研究出了產(chǎn)生一致結(jié)果所需的棘手的材料科學(xué)，在學(xué)術(shù)和企業(yè)研究實驗室中，ReRAM已經(jīng)成為神經(jīng)形態(tài)人工智能應(yīng)用的首選存儲器，正如去年由UCSD和斯坦福大學(xué)的學(xué)術(shù)合作伙伴創(chuàng)建的NeuRRAM芯片所展示的那樣。

　　UCL大學(xué)教授兼ReRAM start-up Intrinsic首席技術(shù)官托尼·凱尼恩（Tony Kenyon）對解決穩(wěn)定性等根本性挑戰(zhàn)的努力進行了反思?！斑^去七八年里，有很多論文發(fā)表，當(dāng)時一些小組要么在研究氧化物周期表，要么在氧化物中摻入不同的元素，嘗試了一些設(shè)備，然后繼續(xù)研究下一個設(shè)備。”

　　在這些努力中，IBM選擇了基于二氧化鉿（HfO2）因為它以前通過對用于邏輯晶體管的氧化鉿的開創(chuàng)性工作而熟悉該材料。IBM現(xiàn)在正在調(diào)整它，以滿足深度學(xué)習(xí)的要求。

　　Intrinsic選擇了氧化硅。“我們可以用氧化物做一些更有趣的事情，”凱尼恩解釋道?！拔覀兛梢圆捎妹x上非常絕緣的材料，非常好的電介質(zhì)，通過以特定的方式構(gòu)造氧化物，而不是制造已經(jīng)使用了幾十年的非常無缺陷的均勻、平坦界面化學(xué)計量氧化物，而是以稍微不同的方式設(shè)計它，我們可以采用這種材料并使其可切換。我們可以在兩種截然不同的狀態(tài)之間改變電阻，即高阻態(tài)和低阻態(tài)。取決于我們?nèi)绾?a target="_blank">編程和創(chuàng)建器件，它還可以有更多的狀態(tài)，在某種意義上，甚至是電阻的模擬變化，但對于存儲器件，對于ReRAM存儲器件，兩個狀態(tài)是一個很好的起點。”

　　潛在的電子閃存替換

　　ReRAM現(xiàn)在是替代高端嵌入式閃存（eFlash）產(chǎn)品線的主要競爭者之一，盡管不太可能是NAND閃存。正如Objective Analysis在其2023年新興存儲器報告中所寫的那樣，“隨著時間的推移，大多數(shù)SOC中嵌入的NOR將幾乎完全被MRAM、ReRAM、FRAM或PCM所取代，這也將有助于推動獨立新內(nèi)存芯片的成功。”

　　的高級副總裁加里·布朗納說Rambus實驗室，“與嵌入式閃存相比，ReRAM需要較少數(shù)量的掩模來與CMOS工藝集成，可擴展至較小的節(jié)點，并且是字節(jié)可尋址的。傳統(tǒng)NAND閃存的主要指標(biāo)是每位成本，ReRAM沒有競爭力?！?/p>

　　ReRAM獲得關(guān)注的另一個例子是Weebit Nano的ReRAM現(xiàn)在完全合格，可用于SkyWater Technology的130納米CMOS工藝。

　　此外，臺積電和英飛凌聯(lián)合開發(fā)ReRAM（也稱為RRAM）多年，現(xiàn)在將其集成到汽車微控制器中。

　　“幾年前，當(dāng)我們向高級工藝節(jié)點發(fā)展時，我們認(rèn)為RRAM是嵌入式存儲器的正確選擇，”的營銷和應(yīng)用副總裁Sandeep Krishnegowda說英飛凌（公司名稱）?！斑@是一項低功耗技術(shù)。它是字節(jié)可尋址的，因此與閃存不同，您可以直接寫入。耐用性和保持性能與閃存兼容，并且成本更低。十多年來，我們一直與臺積電合作開發(fā)制造RRAM的技術(shù)和算法。我們開始在一些芯片卡中使用RRAM，這種卡用于無現(xiàn)金支付和安全認(rèn)證。在控制器和MCU的消費工業(yè)市場，我們使用這種存儲器作為嵌入式閃存的替代品。最近，我們將其引入汽車行業(yè)?！?/p>

　　對于芯片卡，ReRAM還有另一個優(yōu)點，就是抗輻射，電磁耐受性高。“如果你想到支付卡和每個人都想提取信息，你會希望你的記憶非常強大，”Krishnegowda指出。

　　此外，因為ReRAM不是基于電荷的，所以不存在漏電問題，Kenyon說。

　　ReRAM基礎(chǔ)

　　盡管ReRAM中的材料科學(xué)極其復(fù)雜，但基礎(chǔ)理論相對簡單。ReRAM不使用電荷，而是使用電阻作為開關(guān)的基礎(chǔ)。

　　“基本上，它是一個可變電阻的電阻器，可以通過施加特定的電壓來改變電阻，并且可以重置和再次設(shè)置，”Intrinsic的首席執(zhí)行官Mark Dickinson解釋說。

　　ReRAM操作的核心是導(dǎo)電細絲，它們通過兩種不同的方法形成和分離。在OxRAM中，金屬氧化物材料夾在兩個電極之間。當(dāng)在頂部電極上施加正電壓時，在兩個電極之間形成導(dǎo)電細絲。燈絲由氧空位組成。當(dāng)在底部電極上施加負(fù)電壓時，導(dǎo)電細絲斷裂。實際上，ReRAM在高阻態(tài)和低阻態(tài)之間切換。電阻的變化在存儲器中用“0”和“1”來表示。

　　然而，在CBRAM，銅或銀金屬被注入硅中，在兩個電極之間形成導(dǎo)電橋或細絲。

　　圖ReRAM的工作原理。來源：Adesto技術(shù)公司

　　大多數(shù)商業(yè)工作，如臺積電-英飛凌合作，現(xiàn)在都集中在OxRAM上。

　　Weebit Nano研發(fā)副總裁Ilan Sever表示：“兩者都被稱為電阻式RAM，因為它們都在改變一些存儲元件的電阻，但在物理和化學(xué)方面，它們有著本質(zhì)的不同?！霸谘蹩瘴恢校覀冊陔娮鑼由鲜┘酉喾捶较虻牟煌妷?，然后根據(jù)我們施加的電壓產(chǎn)生或溶解導(dǎo)電細絲。這樣，我們可以將細胞復(fù)位，也就是說，我們?nèi)芙鉄艚z，它不再導(dǎo)電，電阻很高。我們稱之為零狀態(tài)或重置。”

　　Intrinsic的Kenyon進一步解釋說：“我們正在改變氧化物中的一些東西，我們正在創(chuàng)造一種燈絲，在兩個電極之間架起橋梁。這些設(shè)備實際上是簡單的電容型結(jié)構(gòu)，只有一層氧化物，頂部有一個電極。我們可以制造一種導(dǎo)電的細絲來連接兩個電極。那根燈絲是由氧空位組成的。因此，我們實際上是在氧化物中移動一些氧，產(chǎn)生一個細絲，然后這將我們從原始的、真正的高阻態(tài)帶到低阻態(tài)。當(dāng)我們反轉(zhuǎn)極性時，我們將氧移回另一個方向，并重新氧化細絲的一小部分，而不是全部，然后我們可以在低電阻和高電阻狀態(tài)之間來回多次?！?/p>

　　圖2： ReRAM電阻。來源：威比特納米

　　ReRAM缺點

　　像所有的內(nèi)存技術(shù)一樣，ReRAM也有它的弱點。

　　IBM首席研究科學(xué)家Takashi Ando說：“ReRAM面臨的根本挑戰(zhàn)是它比其他材料的噪音更大。”“在氧化物ReRAM中，我們以隨機的方式移動氧空位。在CBRAM，我們隨機使用陽離子。設(shè)備的運行存在一些隨機性，這伴隨著高噪聲，因此內(nèi)在噪聲水平是最大的挑戰(zhàn)，但與MRAM或其他存儲器相比，對外部刺激的免疫力更強?！?/p>

　　不應(yīng)低估這種噪音的影響?！癛eRAM的最大問題是其在單細胞水平上的內(nèi)在可變性（噪聲），”Synopsys的Lin說。從一個開關(guān)周期到另一個開關(guān)周期的電阻變化可能與一個單元群體的電阻變化一樣大。對于基于細絲開關(guān)的ReRAM，例如OxRAM和CBRAM，電阻值由在高電場和/或高局部溫度下在細絲尖端周圍移動的少量氧空位或金屬原子控制。這個過程本質(zhì)上是隨機的，幾個原子或空位就能產(chǎn)生很大的影響。所以噪聲是固有的。增加開關(guān)電流可能會在一定程度上減輕可變性，但代價是功耗?！?/p>

　　Intrinsic的凱尼恩淡化了這種影響。“傳統(tǒng)的行業(yè)觀點一直認(rèn)為ReRAM存在可變性問題，因為這是制造這些細絲過程中固有的，你對此無能為力，”他說。“但這確實涉及到材料工程問題。我們已經(jīng)證明，通過以正確的方式設(shè)計材料，您可以減少編程電壓的可變性，例如，從高阻態(tài)到低阻態(tài)所需的不同電壓的分布。”

　　Takeo Tomine，圖騰產(chǎn)品經(jīng)理Ansys，還指出熱是ReRAM的一個問題?！巴ǔ?，對于低于7納米的先進技術(shù)節(jié)點，在電源電壓（Vdd）不變的情況下，器件尺寸會縮小，導(dǎo)致功率密度和金屬密度更高，從而產(chǎn)生更多熱量。自熱效應(yīng)是影響ReRAM可靠性和準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素。在晶體管器件中熱量被捕獲的地方，自加熱變得最嚴(yán)重。對于ReRAM，溫度變化會降低R在/R離開比率，這對包括人工智能處理在內(nèi)的許多應(yīng)用程序的準(zhǔn)確性和可靠性都是不利的。仔細的熱管理是必須的，尤其是在不同器件功耗不均衡的設(shè)計中。然后，必須對這種產(chǎn)生的熱量向附近層和器件的擴散進行建模，以捕捉整個芯片隨時間演變的熱量情況。“

　　林最后補充道，“ReRAM技術(shù)的一個主要挑戰(zhàn)是缺乏多物理（即電熱化學(xué)問題）的定量物理模型。經(jīng)驗?zāi)Ｐ痛_實存在，但缺乏基礎(chǔ)物理學(xué)。沒有好的模型，就很難控制或優(yōu)化制造過程。

　　結(jié)論

　　ReRAM的競爭對手不會輕易放棄。ReRAM型技術(shù)的寫入時間非常慢，大約為20，000到30，000納秒。SRAM就像1或2納秒，”Numen的Guedj說。他聲稱Numen的最新技術(shù)可以將ReRAM的寫入時間縮短100倍，或者Numen的MRAM可以進一步縮短到50納秒左右，盡管MRAM面臨的挑戰(zhàn)是更高的處理成本。“需要更多的技術(shù)進步。Flash不能縮小。對MRAM來說，挑戰(zhàn)在于降低加工成本，這可能需要一段時間。大多數(shù)大型代工廠會保留他們的選擇，嘗試雙方，對沖他們的賭注?！?/p>

　　其他人認(rèn)為勝利將屬于雷蘭?！芭cMRAM相比，ReRAM有兩個主要優(yōu)勢——工藝簡單和更寬的讀取窗口，”的內(nèi)存技術(shù)專家Jongsin Yun說西門子EDA?！癕RAM需要10層以上的堆疊，所有這些都需要非常精確地控制，才能形成匹配的晶體蛋白。這對于保持高產(chǎn)量是一個挑戰(zhàn)。相比之下，ReRAM具有簡單得多的疊層，保持產(chǎn)量所需的努力相對較少。此外，MRAM具有非常窄的讀取窗口（開/關(guān)比），使得它非常容易因小的電阻偏移而失效。另一方面，ReRAM的讀取窗口高一個數(shù)量級以上，因此不易受寄生電阻偏移的影響?！?/p>

　　然而，在一個重要的領(lǐng)域，MRAM領(lǐng)先，所以它不太可能ReRAM將是最后一級緩存的合適選擇。Yun說，“ReRAM的典型速度在微秒到數(shù)百納秒的范圍內(nèi)，不適合用作末級緩存（LLC）。至于耐用性，ReRAM產(chǎn)品的目標(biāo)耐用性通常在1E5 ［100，000個寫入周期］左右，遠低于LLC的要求（1E12個周期）。由于這些限制，有更多的討論圍繞MRAM的最后一級緩存。Adesto后來被Dialog Semiconductor收購（Dialog Semiconductor又被Renesas收購），展示了高達10ns的ReRAM寫入速度。相比之下，IBM和三星聯(lián)合小組以250ps的速度演示了MRAM的Mbit，這表明了明顯的速度差異。”

　　由于這個和其他原因，在可預(yù)見的將來，很可能會有幾種nvm的選擇。

　　IBM的Ando說：“讓NVM適用于每一個應(yīng)用程序成為標(biāo)準(zhǔn)，而不是一個適用于所有應(yīng)用程序的夢想存儲器，這是更自然的事情。”?！拔业钠谕?，我們看到NVM為每個應(yīng)用定制，這已經(jīng)在推理和訓(xùn)練中發(fā)生了?！?/p>

　　最后，Rambus的Bronner說，MRAM和ReRAM似乎都是嵌入式存儲器?！翱偟膩碚f，MRAM的性能似乎略高，但成本也更高。ReRAM更便宜，但可能達不到同樣的性能和可靠性。每個人都應(yīng)該能夠找到一個家，這取決于最終客戶愿意做出的權(quán)衡?！?/p>

審核編輯：黃飛