ReRAM能否取代NOR？

　　隨著對(duì)更快、更便宜的非易失性存儲(chǔ)器替代品的需求持續(xù)增長(zhǎng)，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(zhǎng)期以來一直讓設(shè)計(jì)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(shì)縮小到28納米，另一個(gè)問題出現(xiàn)了。制造這樣尺寸的閃存可能需要十幾個(gè)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(duì)較高的電壓。

　　這是潛在競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手看到潛在機(jī)會(huì)的地方，他們正在利用這個(gè)機(jī)會(huì)ReRAM。ReRAM支持者的一個(gè)關(guān)鍵論點(diǎn)是，一些新應(yīng)用要求更高的性能，而僅僅通過擴(kuò)展閃存已無法實(shí)現(xiàn)更高的速度。

　　對(duì)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(chǔ)器市場(chǎng)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(jìng)爭(zhēng)，部分原因是現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)被證明隨著時(shí)間的推移效果良好。最重要的是，在不止一個(gè)參與者的市場(chǎng)中，公司不斷創(chuàng)新以保持競(jìng)爭(zhēng)力。因此，如果這些其他技術(shù)能夠獲得穩(wěn)固的立足點(diǎn)，它可能會(huì)在NOR閃存市場(chǎng)的高端，那里有新的機(jī)會(huì)和更高的ASP，而不是在NOR可能仍然可行的主流市場(chǎng)。

　　在許多汽車應(yīng)用中尤其如此，因?yàn)槌杀臼且粋€(gè)關(guān)鍵因素。“一輛典型的汽車大約有20個(gè)閃光燈，”谷歌營(yíng)銷副總裁杰克遜·黃說華邦?！耙惠v車6到8個(gè)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(dòng)這一市場(chǎng)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(gè)默認(rèn)的圖像，以防出現(xiàn)問題，你有當(dāng)前運(yùn)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(jì)自動(dòng)化集團(tuán)新思科技同樣也看到了一個(gè)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(chǔ)器或MCU中的獨(dú)立單元，”他說。ReRAM不受磁攻擊的影響，因此它可能對(duì)特殊環(huán)境中的應(yīng)用或獨(dú)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(chǎng)研究支持這些結(jié)論。根據(jù)Business Market Insights的數(shù)據(jù)，NOR市場(chǎng)正以14%的CAGR增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2028年將達(dá)到16.4億美元。與此同時(shí)，根據(jù)Data Bridge Market Research的數(shù)據(jù)，ReRAM的價(jià)值將在未來幾年超過NOR，CAGR增長(zhǎng)率為17.2%，預(yù)計(jì)到2030年將達(dá)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(zhǎng)的數(shù)據(jù)量。

　　Numen首席執(zhí)行官Jack Guedj表示：“下一代永久存儲(chǔ)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?duì)于某些應(yīng)用程序來說，讀取性能太慢，而活動(dòng)讀取功率太高。這意味著SoC設(shè)計(jì)人員要么直接從這些存儲(chǔ)器中讀取/寫入，要么添加一個(gè)大SRAM存儲(chǔ)器來緩沖電阻RAM，從而在性能和功耗方面付出沉重代價(jià)?！?/p>

　　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(shí)驗(yàn)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(chǔ)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(duì)解決穩(wěn)定性等根本性挑戰(zhàn)的努力進(jìn)行了反思?！斑^去七八年里，有很多論文發(fā)表，當(dāng)時(shí)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(gè)設(shè)備?！?/p>

　　在這些努力中，IBM選擇了基于二氧化鉿（HfO2）因?yàn)樗郧巴ㄟ^對(duì)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?！拔覀兛梢杂醚趸镒鲆恍└腥さ氖虑?，”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(jì)量氧化物，而是以稍微不同的方式設(shè)計(jì)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(duì)于存儲(chǔ)器件，對(duì)于ReRAM存儲(chǔ)器件，兩個(gè)狀態(tài)是一個(gè)很好的起點(diǎn)?！?/p>

　　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(jìng)爭(zhēng)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(chǔ)器報(bào)告中所寫的那樣，“隨著時(shí)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(dòng)獨(dú)立新內(nèi)存芯片的成功?！?/p>

　　的高級(jí)副總裁加里·布朗納說Rambus實(shí)驗(yàn)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(kuò)展至較小的節(jié)點(diǎn)，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(jìng)爭(zhēng)力。”

　　ReRAM獲得關(guān)注的另一個(gè)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(tái)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(jí)工藝節(jié)點(diǎn)發(fā)展時(shí)，我們認(rèn)為RRAM是嵌入式存儲(chǔ)器的正確選擇，”的營(yíng)銷和應(yīng)用副總裁Sandeep Krishnegowda說英飛凌（公司名稱）?！斑@是一項(xiàng)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(tái)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(fèi)工業(yè)市場(chǎng)，我們使用這種存儲(chǔ)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(duì)于芯片卡，ReRAM還有另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是抗輻射，電磁耐受性高。“如果你想到支付卡和每個(gè)人都想提取信息，你會(huì)希望你的記憶非常強(qiáng)大，”Krishnegowda指出。

　　此外，因?yàn)镽eRAM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(duì)簡(jiǎn)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(gè)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M(fèi)ark Dickinson解釋說。

　　ReRAM操作的核心是導(dǎo)電細(xì)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(gè)電極之間。當(dāng)在頂部電極上施加正電壓時(shí)，在兩個(gè)電極之間形成導(dǎo)電細(xì)絲。燈絲由氧空位組成。當(dāng)在底部電極上施加負(fù)電壓時(shí)，導(dǎo)電細(xì)絲斷裂。實(shí)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(chǔ)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(gè)電極之間形成導(dǎo)電橋或細(xì)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(tái)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?yàn)樗鼈兌荚诟淖円恍┐鎯?chǔ)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。“在氧空位中，我們?cè)陔娮鑼由鲜┘酉喾捶较虻牟煌妷海缓蟾鶕?jù)我們施加的電壓產(chǎn)生或溶解導(dǎo)電細(xì)絲。這樣，我們可以將細(xì)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(jìn)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(gè)電極之間架起橋梁。這些設(shè)備實(shí)際上是簡(jiǎn)單的電容型結(jié)構(gòu)，只有一層氧化物，頂部有一個(gè)電極。我們可以制造一種導(dǎo)電的細(xì)絲來連接兩個(gè)電極。那根燈絲是由氧空位組成的。因此，我們實(shí)際上是在氧化物中移動(dòng)一些氧，產(chǎn)生一個(gè)細(xì)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(shí)，我們將氧移回另一個(gè)方向，并重新氧化細(xì)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(diǎn)

　　像所有的內(nèi)存技術(shù)一樣，ReRAM也有它的弱點(diǎn)。

　　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?！薄霸谘趸颮eRAM中，我們以隨機(jī)的方式移動(dòng)氧空位。在CBRAM，我們隨機(jī)使用陽離子。設(shè)備的運(yùn)行存在一些隨機(jī)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(chǔ)器相比，對(duì)外部刺激的免疫力更強(qiáng)?！?/p>

　　不應(yīng)低估這種噪音的影響。“ReRAM的最大問題是其在單細(xì)胞水平上的內(nèi)在可變性（噪聲），”Synopsys的Lin說。從一個(gè)開關(guān)周期到另一個(gè)開關(guān)周期的電阻變化可能與一個(gè)單元群體的電阻變化一樣大。對(duì)于基于細(xì)絲開關(guān)的ReRAM，例如OxRAM和CBRAM，電阻值由在高電場(chǎng)和/或高局部溫度下在細(xì)絲尖端周圍移動(dòng)的少量氧空位或金屬原子控制。這個(gè)過程本質(zhì)上是隨機(jī)的，幾個(gè)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(huì)在一定程度上減輕可變性，但代價(jià)是功耗。”

　　Intrinsic的凱尼恩淡化了這種影響?！皞鹘y(tǒng)的行業(yè)觀點(diǎn)一直認(rèn)為ReRAM存在可變性問題，因?yàn)檫@是制造這些細(xì)絲過程中固有的，你對(duì)此無能為力，”他說。“但這確實(shí)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(jì)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(gè)問題。“通常，對(duì)于低于7納米的先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)，在電源電壓（Vdd）不變的情況下，器件尺寸會(huì)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(duì)于ReRAM，溫度變化會(huì)降低R在/R離開比率，這對(duì)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(xì)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(jì)中。然后，必須對(duì)這種產(chǎn)生的熱量向附近層和器件的擴(kuò)散進(jìn)行建模，以捕捉整個(gè)芯片隨時(shí)間演變的熱量情況?！?/p>

　　林最后補(bǔ)充道，“ReRAM技術(shù)的一個(gè)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(yàn)?zāi)Ｐ痛_實(shí)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(jìng)爭(zhēng)對(duì)手不會(huì)輕易放棄。ReRAM型技術(shù)的寫入時(shí)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(shí)間縮短100倍，或者Numen的MRAM可以進(jìn)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(jìn)步。Flash不能縮小。對(duì)MRAM來說，挑戰(zhàn)在于降低加工成本，這可能需要一段時(shí)間。大多數(shù)大型代工廠會(huì)保留他們的選擇，嘗試雙方，對(duì)沖他們的賭注。”

　　其他人認(rèn)為勝利將屬于雷蘭。“與MRAM相比，ReRAM有兩個(gè)主要優(yōu)勢(shì)——工藝簡(jiǎn)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(duì)于保持高產(chǎn)量是一個(gè)挑戰(zhàn)。相比之下，ReRAM具有簡(jiǎn)單得多的疊層，保持產(chǎn)量所需的努力相對(duì)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(gè)數(shù)量級(jí)以上，因此不易受寄生電阻偏移的影響。”

　　然而，在一個(gè)重要的領(lǐng)域，MRAM領(lǐng)先，所以它不太可能ReRAM將是最后一級(jí)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(jí)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(gè)寫入周期］左右，遠(yuǎn)低于LLC的要求（1E12個(gè)周期）。由于這些限制，有更多的討論圍繞MRAM的最后一級(jí)緩存。Adesto后來被Dialog Semiconductor收購(gòu)（Dialog Semiconductor又被Renesas收購(gòu)），展示了高達(dá)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?！?/p>

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

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

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

審核編輯：黃飛