評(píng)估云和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的ReRAM技術(shù)選擇

電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 （ReRAM） 是開發(fā)更具可擴(kuò)展性、高容量、高性能、更可靠的存儲(chǔ)解決方案的競(jìng)爭(zhēng)中下一個(gè)有前途的存儲(chǔ)器技術(shù)。

電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 （ReRAM） 正在成為一種替代性的非易失性存儲(chǔ)器 （NVM） 解決方案，特別是在需要不斷提高性能和能效的云和數(shù)據(jù)中心環(huán)境中。隨著人類通過視頻流等優(yōu)質(zhì)服務(wù)以及機(jī)器通過物聯(lián)網(wǎng)（IoT）對(duì)數(shù)據(jù)的需求不斷增長(zhǎng)，ReRAM技術(shù)表現(xiàn)出比閃存更低的讀取延遲和更快的寫入性能，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了64pJ / cell的程序能量，比NAND提高了20%。

在數(shù)據(jù)中心環(huán)境中，3D垂直ReRAM陣列提供高性能內(nèi)存子系統(tǒng)，能夠取代傳統(tǒng)的基于DRAM或閃存的SSD，以更小的外形尺寸和更低的能源需求加快數(shù)據(jù)處理，存儲(chǔ)和檢索。借助 ReRAM，在提供 1 個(gè) GIOP/U 的架構(gòu)中，可以實(shí)現(xiàn)低于 5 納秒的延遲。

典型的ReRAM電池包含夾在兩個(gè)金屬電極之間具有不同電阻特性的開關(guān)材料。ReRAM的開關(guān)效應(yīng)基于離子在電場(chǎng)影響下的運(yùn)動(dòng)和開關(guān)材料存儲(chǔ)離子分布的能力。反過來，這會(huì)導(dǎo)致ReRAM器件的電阻發(fā)生可測(cè)量的變化，從而減少介電擊穿的影響，隨著時(shí)間的推移，介電擊穿會(huì)降低存儲(chǔ)器元件的性能。

ReRAM技術(shù)最常見的挑戰(zhàn)是溫度靈敏度，與標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)和制造工藝的集成，以及各個(gè)ReRAM單元的選擇機(jī)制。因此，設(shè)計(jì)人員根據(jù)他們選擇的開關(guān)材料和存儲(chǔ)單元組織，采用許多不同的方法來實(shí)施ReRAM技術(shù)。

結(jié)合這些變量，可能會(huì)導(dǎo)致ReRAM技術(shù)的性能顯著差異。因此，在評(píng)估 ReRAM 時(shí)應(yīng)考慮的四個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域是：

可制造性

性能

密度

能源

讓我們仔細(xì)看看每一個(gè)。

可制造性

在制造ReRAM器件時(shí)，CMOS友好型材料和標(biāo)準(zhǔn)制造工藝是首選，因?yàn)樗试S該技術(shù)在兩條金屬線之間輕松集成，直接連接到CMOS IP邏輯塊，并在現(xiàn)有晶圓廠中生產(chǎn)，而無需專用設(shè)備或材料（圖1）。由于 ReRAM 是一種低溫、后端生產(chǎn)線 （BEOL） 工藝集成，因此可以在 CMOS 邏輯晶圓的頂部集成多層 ReRAM 陣列，以構(gòu)建 3D ReRAM 存儲(chǔ)芯片。這使得在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)由片上NVM、處理內(nèi)核和模擬子系統(tǒng)組成的極其集成的解決方案，從而成為優(yōu)雅且低成本的解決方案。

與閃存單元中的電子存儲(chǔ)相比，少數(shù)電子損耗會(huì)導(dǎo)致可靠性，保留和循環(huán)問題并導(dǎo)致降解，Crossbar的ReRAM單元操作基于非導(dǎo)電層中的金屬絲。橫桿的 ReRAM 縮放不會(huì)影響器件性能，并且有可能實(shí)現(xiàn)低于 10 nm 的縮放。

性能

在程序操作方面，當(dāng)前的 MLC/TLC NAND 或 3D NAND 閃存需要大約 600 μs 到 1 ms 的時(shí)間來編程 8 到 16 KB 的頁面，對(duì)于 4 到 8 MB 的大塊頁面，大約需要 10 ms。

在編程之前，還必須擦除 NAND 閃存。垃圾回收是NAND閃存中數(shù)據(jù)管理的附加層，當(dāng)存儲(chǔ)空閑時(shí)，需要它來正確釋放具有過時(shí)數(shù)據(jù)的塊。當(dāng)垃圾回收在塊之間移動(dòng)數(shù)據(jù)時(shí)收到新請(qǐng)求時(shí)，這會(huì)產(chǎn)生問題，從而在秒內(nèi)引入長(zhǎng)時(shí)間且不確定的延遲。因此，SSD 寫入通常包括在 SSD 控制器、NAND 閃存和 DRAM 組件之間多次寫入數(shù)據(jù)，最初是在保存數(shù)據(jù)時(shí)寫入數(shù)據(jù)，后來是在多個(gè)垃圾回收周期中移動(dòng)有效數(shù)據(jù)時(shí)寫入數(shù)據(jù)。因此，寫入SSD閃存的數(shù)據(jù)比主機(jī)系統(tǒng)最初發(fā)出的數(shù)據(jù)要多，這種情況很常見。這種差異被稱為寫入放大（WA）。

WA是不可取的，因?yàn)檫@意味著更多的數(shù)據(jù)被寫入介質(zhì)，增加磨損，并通過消耗本來會(huì)保留給閃存預(yù)期功能的操作的帶寬來對(duì)性能產(chǎn)生負(fù)面影響。這在較小的進(jìn)程節(jié)點(diǎn)上尤其重要，其中NAND存儲(chǔ)單元的最大周期減少到3，000個(gè)程序周期以下。

相反，ReRAM使用位可更改的無擦除操作，與NAND閃存相比，讀取延遲降低了100倍，寫入性能提高了1000倍，而不受構(gòu)建大塊存儲(chǔ)器陣列的限制。ReRAM執(zhí)行獨(dú)立原子操作的能力允許將其構(gòu)建成更小的頁面（例如，256 B頁面與NAND中的16 KB頁面），每個(gè)頁面都可以單獨(dú)重新編程。這種類型的體系結(jié)構(gòu)通過刪除通常在垃圾回收期間訪問的大部分后臺(tái)內(nèi)存來減輕存儲(chǔ)控制器的負(fù)擔(dān)。NAND閃存系統(tǒng)的WA分?jǐn)?shù)通常在三到四個(gè)范圍內(nèi)，而ReRAM的特性使WA等于1。這有利于存儲(chǔ)解決方案的讀取和寫入延遲、能耗和生存期。

針對(duì)ReRAM優(yōu)化的下一代SSD控制器將能夠更快地更新更小的頁面，進(jìn)一步減少與NAND相關(guān)的后臺(tái)存儲(chǔ)器操作，并提供更低，更確定的讀取延遲，約為數(shù)十μs。

能源

減少后臺(tái)內(nèi)存操作的數(shù)量可以提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)解決方案的性能和整體耐用性，還可以降低存儲(chǔ)控制器的整體功耗、DRAM 使用率以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)組件消耗的讀寫功耗預(yù)算。

密度

高密度ReRAM面臨的一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)是潛行（或泄漏）電流。使用具有1個(gè)TnR存儲(chǔ)單元陣列的選擇器器件可以緩解這種情況，這使得單個(gè)晶體管可以管理大量互連的存儲(chǔ)單元。這可實(shí)現(xiàn)高容量固態(tài)存儲(chǔ)。

雖然1 TnR使單個(gè)晶體管能夠以低功耗驅(qū)動(dòng)2，000多個(gè)存儲(chǔ)單元，但它也會(huì)引發(fā)潛行路徑電流的泄漏，從而干擾ReRAM陣列的性能和可靠性。Crossbar的現(xiàn)場(chǎng)輔助超線性閾值器件能夠抑制低于0.1 nA的泄漏電流，并已成功在4 Mb，3D可堆疊無源集成陣列中進(jìn)行演示。它實(shí)現(xiàn)了 10^10 的最高報(bào)告選擇性，以及小于 5 mV/dec 的極銳開啟斜率、快速啟動(dòng)和恢復(fù) （《50 ns）、大于 100 M 循環(huán)耐久性以及低于 300 °C 的加工溫度。

為云和數(shù)據(jù)中心提供更快、更高效的存儲(chǔ)

ReRAM 技術(shù)通過更快、更密集和超低延遲的解決方案實(shí)現(xiàn)下一代企業(yè)存儲(chǔ)，這些解決方案能夠滿足不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)需求。隨著能源使用和壽命成為云和數(shù)據(jù)中心環(huán)境中的關(guān)鍵總擁有成本（TCO）指標(biāo)，ReRAM的進(jìn)步和數(shù)量的增加將繼續(xù)推動(dòng)ReRAM的價(jià)值主張。

審核編輯：郭婷