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)，尤其是在汽車(chē)等應(yīng)用中，電阻式 RAM 重新受到關(guān)注。
嵌入式閃存長(zhǎng)期以來(lái)一直讓設(shè)計(jì)人員希望獲得更好的寫(xiě)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(wèn)題出現(xiàn)了。制造這些尺寸的閃存可能需要十幾個(gè)掩模，這增加了成本。最重要的是，閃存需要前端較高的熱預(yù)算和相對(duì)較高的電壓。
這就是潛在競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手看到潛在機(jī)會(huì)的地方，他們正在嘗試使用ReRAM。ReRAM 支持者的一個(gè)關(guān)鍵論點(diǎn)是，一些新應(yīng)用需要更高的性能，而僅通過(guò)擴(kuò)展閃存來(lái)提高速度已不再是可以實(shí)現(xiàn)的。
傳統(tǒng)上，擁有根深蒂固的參與者的內(nèi)存市場(chǎng)對(duì)于新來(lái)者和新技術(shù)來(lái)說(shuō)很難攻克，部分原因是很難在成本基礎(chǔ)上與那些已經(jīng)完全折舊其晶圓廠和設(shè)備的芯片制造商競(jìng)爭(zhēng)；部分原因在于隨著時(shí)間的推移，現(xiàn)有技術(shù)已被證明是有效的；更重要的是，在存在多個(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)能夠站穩(wěn)腳跟，很可能會(huì)出現(xiàn)在 NOR 閃存市場(chǎng)的高端市場(chǎng)，那里有新的機(jī)會(huì)和更高的平均售價(jià)，而不是在 NOR 可能仍然可行的主流市場(chǎng)。
在許多汽車(chē)應(yīng)用中尤其如此，成本是一個(gè)關(guān)鍵因素。“一輛典型的汽車(chē)大約有 20 個(gè)閃存設(shè)備，”華邦電子營(yíng)銷(xiāo)副總裁 Jackson Huang 說(shuō)。“一輛車(chē)?yán)镉?6 到 8 個(gè)攝像頭有閃光燈。儀表盤(pán)使用閃存，信息娛樂(lè)系統(tǒng)也是如此。MCU 內(nèi)置了一定數(shù)量的閃存。但真正推動(dòng)這個(gè)市場(chǎng)的是，在過(guò)去的幾年里，隨著無(wú)線圖像（over-the-air images）的出現(xiàn)，閃存的使用量在密度和單位出貨量上都顯著增加。通常至少有 2 個(gè)圖像，通常是 3 個(gè)。您有一個(gè)默認(rèn)圖像，以防出現(xiàn)問(wèn)題，并且您有當(dāng)前正在運(yùn)行的圖像，以及之前的圖像。”
新思科技 (Synopsys) EDA 團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用工程總監(jiān) Xi-Wei Lin同樣看到了多種選擇的未來(lái)。“ReRAM 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(shuō)。“ReRAM 不受磁攻擊的影響，因此它對(duì)于特殊環(huán)境中的應(yīng)用程序或獨(dú)特的安全需求可能很有用。NVM 將繼續(xù)成為特定于應(yīng)用的選擇，具體取決于性能、功耗、可靠性、密度、外形尺寸和成本。在我看來(lái)，總是需要做出權(quán)衡，并且不存在一刀切的解決方案。”
市場(chǎng)研究也支持這些結(jié)論。
Business Market Insights 的數(shù)據(jù)顯示，NOR 市場(chǎng)的復(fù)合年增長(zhǎng)率為 14%，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(lái)幾年超過(guò) NOR，復(fù)合年增長(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存儲(chǔ)器，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：“下一代持久性存儲(chǔ)器和傳統(tǒng) NOR 閃存有很多優(yōu)點(diǎn)，但它們的耐用性較低且寫(xiě)入性能較差。” “對(duì)于某些應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)，讀取性能也太慢，并且主動(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)器讀取/寫(xiě)入，要么添加大型 SRAM 存儲(chǔ)器來(lái)緩沖電阻式 RAM，從而在性能和功耗方面付出了沉重代價(jià)。”
ReRAM在惠普放棄努力后遭受重創(chuàng)，但近年來(lái)已經(jīng)成熟�，F(xiàn)有企業(yè)和初創(chuàng)企業(yè)解決了產(chǎn)生一致結(jié)果所需的棘手材料科學(xué)問(wèn)題，在學(xué)術(shù)和企業(yè)研究實(shí)驗(yàn)室中，ReRAM 已成為神經(jīng)形態(tài)人工智能應(yīng)用的首選存儲(chǔ)器，正如去年在學(xué)術(shù)界創(chuàng)建的 NeuRRAM 芯片中所證明的那樣。
倫敦大學(xué)學(xué)院教授兼 ReRAM 初創(chuàng)公司 Intrinsic 的首席技術(shù)官托尼·凱尼恩 (Tony Kenyon) 反思了為解決穩(wěn)定性等基本挑戰(zhàn)所做的努力。“有很多論文發(fā)表，可以追溯到七八年前，其中的小組要么正在研究氧化物元素周期表，要么用不同的元素?fù)诫s氧化物，嘗試一些設(shè)備，然后轉(zhuǎn)向下一個(gè)。”
在其中一項(xiàng)努力中，IBM 選擇了基于二氧化鉿 (HfO2 ) 的 ReRAM，因?yàn)?IBM 之前通過(guò)其在用于邏輯晶體管的氧化鉿方面的開(kāi)創(chuàng)性工作而熟悉了這種材料。IBM 現(xiàn)在正在對(duì)其進(jìn)行調(diào)整以滿足深度學(xué)習(xí)的要求。
Intrinsic 選擇使用氧化硅。“我們可以用氧化物做一些更有趣的事情，”凱尼恩解釋道。“我們可以采用名義上非常絕緣的材料、非常好的電介質(zhì)，并通過(guò)以特定方式構(gòu)建氧化物，而不是制造已經(jīng)使用了幾十年的無(wú)缺陷均勻、平坦界面化學(xué)計(jì)量氧化物，而是對(duì)其進(jìn)行工程設(shè)計(jì)以稍微不同的方式，我們可以采用該材料并使其可切換。我們可以改變兩種截然不同的狀態(tài)（高電阻狀態(tài)和低電阻狀態(tài)）之間的電阻。根據(jù)我們?nèi)绾尉幊毯蛣?chuàng)建設(shè)備，它也可以有更多狀態(tài)，從某種意義上說(shuō)，甚至可以是電阻的模擬變化，但對(duì)于存儲(chǔ)設(shè)備、ReRAM 存儲(chǔ)設(shè)備來(lái)說(shuō)，兩種狀態(tài)是一個(gè)很好的起點(diǎn)。”
ReRAM 基礎(chǔ)知識(shí)
雖然 ReRAM 中的材料科學(xué)極其復(fù)雜，但基本理論相對(duì)簡(jiǎn)單。ReRAM 使用電阻作為開(kāi)關(guān)的基礎(chǔ)，而不是電荷。
“基本上，它是一個(gè)具有可變電阻的電阻器，可以通過(guò)施加特定電壓來(lái)改變電阻，并且可以重置和再次設(shè)置，”Intrinsic 首席執(zhí)行官 Mark Dickinson 解釋道。
ReRAM 操作的核心是導(dǎo)電絲，它們通過(guò)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)，兩個(gè)電極之間會(huì)形成導(dǎo)電絲。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)電絲會(huì)斷裂。實(shí)際上，ReRAM 在高電阻狀態(tài)和低電阻狀態(tài)之間切換。電阻的變化在存儲(chǔ)器中用“0”和“1”表示。
然而，在 CBRAM 中，銅或銀金屬被注入硅中，從而在兩個(gè)電極之間形成導(dǎo)電橋或細(xì)絲。
ReRAM 的工作原理
大多數(shù)商業(yè)行業(yè)的工作，例如臺(tái)積電與英飛凌的合作，現(xiàn)在都以 OxRAM 為中心。
“兩者都被稱(chēng)為電阻式 RAM，因?yàn)閮烧叨紩?huì)改變某些存儲(chǔ)元件的電阻，但在物理和化學(xué)方面，它們有很大不同，”Weebit Nano 研發(fā)副總裁 Ilan Sever 說(shuō)道。
“在氧空位中，我們?cè)陔娮鑼由弦韵喾吹姆较蚴┘硬煌碾妷�，然后根�?jù)我們施加的電壓創(chuàng)建或溶解導(dǎo)電絲。通過(guò)這種方式，我們可以將細(xì)胞重置——也就是說(shuō)，我們?nèi)芙饧?xì)絲，它不再導(dǎo)電，電阻很高。我們稱(chēng)之為零狀態(tài)或重置。”
Intrinsic 的 Kenyon 進(jìn)一步解釋說(shuō)：“我們正在改變氧化物中的某些東西，我們正在創(chuàng)建一個(gè)燈絲來(lái)橋接兩個(gè)電極之間的間隙。這些器件是非常簡(jiǎn)單的電容式結(jié)構(gòu)，只有一層氧化物，頂部有一個(gè)電極。我們可以制造一根橋接兩個(gè)電極的導(dǎo)電燈絲。該細(xì)絲由氧空位組成。因此，我們實(shí)際上是在氧化物中移動(dòng)一些氧氣，形成細(xì)絲，然后將我們從原始的高電阻狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娮锠顟B(tài)。當(dāng)我們反轉(zhuǎn)極性時(shí)，我們將氧氣移回另一個(gè)方向并重新氧化燈絲的一小部分，而不是整個(gè)燈絲，然后我們可以在低電阻和高電阻狀態(tài)之間來(lái)回移動(dòng)很多很多次。”
潛在的 eFlash 替代品
ReRAM 現(xiàn)在是取代高端嵌入式閃存 (eFlash) 系列的主要競(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(xiě)，“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 取代，這也將有助于推動(dòng)獨(dú)立新存儲(chǔ)器的成功。”
Rambus Labs高級(jí)副總裁 Gary Bronner 表示：“與嵌入式閃存相比，ReRAM 需要更少數(shù)量的掩膜來(lái)與 CMOS 工藝集成，可擴(kuò)展到更小的節(jié)點(diǎn)，并且可字節(jié)尋址。傳統(tǒng) NAND 閃存的主要指標(biāo)是每比特成本，而 ReRAM 沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力。”
ReRAM 受到關(guān)注的另一個(gè)例子是 Weebit Nano 的 ReRAM 現(xiàn)已完全合格并可用于 SkyWater Technology 的 130nm CMOS 工藝。
此外，臺(tái)積電和英飛凌多年來(lái)共同開(kāi)發(fā)ReRAM（也稱(chēng)為RRAM），現(xiàn)在將其整合到汽車(chē)微控制器中。
“幾年前，隨著我們向先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)邁進(jìn)，我們認(rèn)為 RRAM 是嵌入式存儲(chǔ)器的正確選擇，”英飛凌營(yíng)銷(xiāo)和應(yīng)用副總裁 Sandeep Krishnegowda說(shuō)道。“這是一種低功耗技術(shù)。它是字節(jié)尋址的，因此與閃存不同，您可以直接寫(xiě)入。耐用性和保持性能與閃存兼容，并且成本更低。十多年來(lái)，我們一直與臺(tái)積電合作開(kāi)發(fā) RRAM 制造技術(shù)和算法。我們首先在一些芯片卡中使用 RRAM，這些卡用于無(wú)現(xiàn)金支付和安全身份驗(yàn)證。在控制器和 MCU 的消費(fèi)工業(yè)市場(chǎng)中，我們使用此類(lèi)存儲(chǔ)器作為嵌入式閃存的替代品。最近，我們將其帶入汽車(chē)領(lǐng)域。”
對(duì)于芯片卡來(lái)說(shuō)，ReRAM還有另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即抗輻射、電磁耐受力高。“如果你考慮支付卡以及每個(gè)人想要如何提取信息，你就會(huì)希望你的記憶力非常強(qiáng)大，”克里什內(nèi)戈達(dá)指出。
此外，由于 ReRAM 不是基于電荷的，因此不存在泄漏問(wèn)題，Kenyon 說(shuō)。
ReRAM 的缺點(diǎn)
與所有內(nèi)存技術(shù)一樣，ReRAM 也有其漏洞。
IBM 首席研究科學(xué)家 Takashi Ando 表示：“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(jī)方式移動(dòng)氧空位。在 CBRAM 中，我們以隨機(jī)方式使用陽(yáng)離子。設(shè)備的操作存在一定的隨機(jī)性，并且伴隨著高噪聲，因此固有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)。”
不應(yīng)低估噪音的影響。“ReRAM 的最大問(wèn)題是其在單單元級(jí)別的固有可變性（噪聲），”Synopsys 的 Lin 說(shuō)。“從一個(gè)轉(zhuǎn)換周期到另一個(gè)轉(zhuǎn)換周期的電阻變化可能與細(xì)胞群的電阻變化一樣大。對(duì)于基于絲狀開(kāi)關(guān)的ReRAM，例如OxRAM和CBRAM，電阻值由在高電場(chǎng)和/或高局部溫度下在絲尖端周?chē)苿?dòng)的少量氧空位或金屬原子控制。這個(gè)過(guò)程本質(zhì)上是隨機(jī)的，幾個(gè)原子或空位就可以產(chǎn)生很大的影響。所以噪聲是固有的。增加開(kāi)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 Kenyon 淡化了這種效應(yīng)。“傳統(tǒng)的行業(yè)觀點(diǎn)認(rèn)為，ReRAM 存在可變性問(wèn)題，因?yàn)樗侵圃爝@些細(xì)絲的過(guò)程中固有的，對(duì)此您無(wú)能為力，”他說(shuō)。“但這實(shí)際上歸結(jié)為材料工程問(wèn)題。我們已經(jīng)證明，通過(guò)以正確的方式設(shè)計(jì)材料，可以減少編程電壓的可變性，例如，從高電阻狀態(tài)到低電阻狀態(tài)所需的不同電壓的分布。”
Ansys Totem 產(chǎn)品經(jīng)理 Takeo Tomine也指出，發(fā)熱是 ReRAM 的一個(gè)問(wèn)題。“通常，對(duì)于低于 7nm 的先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)，器件尺寸會(huì)縮小，而電源電壓 (Vdd) 保持恒定，從而導(dǎo)致更高的功率密度和更大的金屬密度，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。當(dāng)熱量被困在晶體管器件中時(shí)，自熱變得最嚴(yán)重。對(duì)于 ReRAM，溫度變化會(huì)降低 R on /R off比，這不利于許多應(yīng)用（包括人工智能處理）的準(zhǔn)確性和可靠性。必須進(jìn)行仔細(xì)的熱管理，特別是在不同設(shè)備之間功耗不均勻的設(shè)計(jì)中。然后，必須對(duì)產(chǎn)生的熱量向附近層和設(shè)備的擴(kuò)散進(jìn)行建模，以捕獲隨時(shí)間變化的全芯片熱圖。”
Lin 補(bǔ)充道，“ReRAM 技術(shù)的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是缺乏多物理場(chǎng)（即電熱化學(xué)問(wèn)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)。如果沒(méi)有好的模型，就很難控制或優(yōu)化制造流程。”
寫(xiě)在最后
ReRAM 的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手不會(huì)不戰(zhàn)而屈人之兵。
“ReRAM 類(lèi)型技術(shù)的寫(xiě)入時(shí)間非常慢，約為 20,000 到 30,000 納秒。SRAM 大約為 1 或 2 納秒，”Numen 的 Guedj 說(shuō)道。他聲稱(chēng) Numen 的最新技術(shù)可以將 ReRAM 寫(xiě)入時(shí)間縮短 100 倍，或者 Numen 的 MRAM 可以進(jìn)一步將其減少到 50 納秒左右。
MRAM 面臨的挑戰(zhàn)是更高的處理成本，這需要更多的技術(shù)進(jìn)步。以降低處理成本，這可能會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)生。大多數(shù)大型代工廠都會(huì)保留自己的選擇余地，嘗試雙方，并對(duì)沖他們的賭注。”
其他人則認(rèn)為 ReRAM 會(huì)獲勝。西門(mén)子 EDA的內(nèi)存技術(shù)專(zhuān)家 Jongsin Yun 表示：“與 MRAM 相比，ReRAM 具有兩大優(yōu)勢(shì)——流程簡(jiǎn)單和讀取窗口更寬。” “MRAM 需要超過(guò) 10 層堆棧，所有堆棧都需要非常精確地控制才能形成匹配的晶體蛋白。維持高產(chǎn)量具有挑戰(zhàn)性。相比之下，ReRAM 的層堆棧要簡(jiǎn)單得多，需要相對(duì)較少的精力來(lái)維持良率。此外，MRAM 的讀取窗口（開(kāi)/關(guān)比）非常窄，因此很容易因小電阻偏移而發(fā)生故障。另一方面，ReRAM 的讀取窗口高出一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，因此不易受到寄生電阻偏移的影響。”
然而，在一個(gè)重要領(lǐng)域，MRAM 處于領(lǐng)先地位，因此 ReRAM 不太可能成為最后一級(jí)緩存的合適選擇。Yun 表示。
“ReRAM 的典型速度在微秒到數(shù)百納秒范圍內(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)通常是 1E5 [100,000 個(gè)寫(xiě)入周期] 左右的耐用性，遠(yuǎn)低于 LLC 要求（1E12 個(gè)周期）。由于這些限制，人們對(duì)末級(jí)緩存的 MRAM 進(jìn)行了更多討論。后來(lái)被 Dialog Semiconductor（后來(lái)又被瑞薩電子收購(gòu)）收購(gòu)的 Adesto 展示了高達(dá) 10 納秒的 ReRAM 寫(xiě)入速度。相比之下，IBM 和三星聯(lián)合小組以 250ps 的速度演示了 Mbit 的 MRAM，表明速度存在顯著差異。”Yun 接著說(shuō)。
出于這個(gè)原因和其他原因，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，NVM 可能會(huì)有多種選擇。
IBM 的 Ando 表示：“讓適合每種應(yīng)用的 NVM 成為標(biāo)準(zhǔn)，而不是一種適用于所有應(yīng)用的夢(mèng)想內(nèi)存，這是更自然的事情。”“我的期望是，我們會(huì)看到針對(duì)每個(gè)應(yīng)用程序定制的 NVM，并且這已經(jīng)在推理和訓(xùn)練中發(fā)生了。”
最后，Rambus 的 Bronner 表示，MRAM 和 ReRAM 似乎都作為嵌入式存儲(chǔ)器受到關(guān)注。“從廣義上講，MRAM 的性能似乎略高，但成本也較高。ReRAM 更便宜，但可能無(wú)法滿足相同的性能和可靠性。”
每個(gè)技術(shù)都應(yīng)該能夠找到一個(gè)落腳點(diǎn)，這取決于最終客戶愿意做出的權(quán)衡。
