RRAM：走向新型嵌入式存儲(chǔ)之路

　　物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的出現(xiàn)和人類生活對(duì)智能設(shè)備永不滿足的需求正驅(qū)動(dòng)著傳統(tǒng)智慧在微控制器和嵌入式內(nèi)存市場的徹底變革。

　　隨著電子設(shè)備智能化程度的提高，軟件編碼增大，需要加快處理速度才能處理通信協(xié)議、身份驗(yàn)證、信息生成和歷史積壓數(shù)據(jù)。我們行業(yè)逐漸開始認(rèn)識(shí)到這樣一個(gè)現(xiàn)實(shí) - 當(dāng)前的內(nèi)存技術(shù)無法滿足新一代編碼存儲(chǔ)容量和性能需求，同時(shí)嵌入式軟件編碼也隨之快速增加，由過去的幾個(gè)千字節(jié)到現(xiàn)在的數(shù)個(gè)兆字節(jié)。

　　據(jù)Web-Feet Research等分析公司預(yù)測，到2018年，消費(fèi)類電子設(shè)備的嵌入式內(nèi)存市場將突破28.8億美元，現(xiàn)在是我們?yōu)檫@一問題想出解決方案的時(shí)候了。如果傳統(tǒng)內(nèi)存技術(shù)無法滿足未來需求，那么哪種技術(shù)能夠滿足？隨著閃存在消費(fèi)類電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中無處不在的應(yīng)用，是否可以考慮替代現(xiàn)有的過時(shí)技術(shù)？

　　內(nèi)存困局

　　在設(shè)計(jì)新微控制器或系統(tǒng)芯片時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須考慮嵌入式內(nèi)存容量和組織結(jié)構(gòu)，在做出架構(gòu)決策時(shí)還要考慮集成。但是，下一代系統(tǒng)架構(gòu)師還必須重新尋找嵌入式內(nèi)存塊與邏輯處理器集成的方式。

　　如果我們審視一下當(dāng)前的閃存技術(shù)，信息存儲(chǔ)是基于電荷密度。丟失幾個(gè)電子可能造成嚴(yán)重的可靠度問題，當(dāng)達(dá)到25nm以下時(shí)，閃存技術(shù)將遭受耐久性、保留度和可靠度的嚴(yán)重衰退。

　　為了克服閃存技術(shù)固有的耐久性、保留度和可靠度問題，目前的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)使用了可管理復(fù)雜架構(gòu)與算法的高端內(nèi)存控制器芯片，如糾錯(cuò)碼和DSP算法、耗損平衡、壞塊管理、數(shù)據(jù)復(fù)制、邏輯到物理映射、垃圾收集和DRAM緩沖。盡管需要有這些替代辦法來支持閃存技術(shù)，但這些復(fù)雜的技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)中轉(zhuǎn)換并不容易。因此，現(xiàn)在迫切需要可有效替代閃存的新嵌入式內(nèi)存技術(shù)。

　　嵌入式內(nèi)存技術(shù)電阻式RAM

　　幸運(yùn)的是，能夠克服嵌入式閃存技術(shù)自身局限又具有成本優(yōu)勢(shì)、低功耗、高性能和小足跡的新型內(nèi)存技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)。其中最具前景的就是電阻式RAM（RRAM）技術(shù)。

　　典型的RRAM設(shè)備由兩個(gè)金屬電極夾一個(gè)薄介電層組成，其中介電層作為離子傳輸和存儲(chǔ)介質(zhì)。選用不同的材料，實(shí)際機(jī)制會(huì)有顯著差別，但所有RRAM設(shè)備間的共同連接是電場或是熱源，它們引起存儲(chǔ)介質(zhì)離子運(yùn)動(dòng)和局部結(jié)構(gòu)變化，反過來又造成設(shè)備電阻的顯著變化。

　　我們Crossbar 公司團(tuán)隊(duì)開發(fā)的一種RRAM采用了常用的非晶膜（如非晶硅（a-Si））作為形成絲狀體的基質(zhì)材料。電阻接通過程中形成的導(dǎo)電“絲狀體”由離散的金屬顆粒組成，而不是連續(xù)的金屬絲刷。這些特性使其具有多種性能優(yōu)勢(shì)，有望消除閃存面臨的諸多問題。

　　非晶硅與閃存不同，可成功縮小至5nm，而且性能更佳。非晶硅RRAM與傳統(tǒng)的RAM也不同，它的足跡減小，因而成本更經(jīng)濟(jì)。RRAM模糊了不同內(nèi)存類型之間的界限，從而簡化了內(nèi)存子系統(tǒng)的架構(gòu)和分層，實(shí)現(xiàn)了成本更低、足跡更小、密度更高、速度更快的內(nèi)存。

圖1：Crossbar的集成設(shè)備RRAM產(chǎn)品

　　在CMOS（互補(bǔ)金屬物半導(dǎo)體）基礎(chǔ)上，RRAM內(nèi)存可與具體的邏輯功能緊密集成，例如與安全加密算法集成，用于智能卡或生物計(jì)量應(yīng)用。這種集成實(shí)現(xiàn)了大數(shù)據(jù)分析使用的高性能、大規(guī)模并行計(jì)算處理系統(tǒng)，將迎來內(nèi)存與邏輯系統(tǒng)混合架構(gòu)的新時(shí)代。

　　在3D架構(gòu)中，RRAM各分層還可以彼此疊加，從而可以小足跡實(shí)現(xiàn)大內(nèi)存容量。借助具體的架構(gòu)技術(shù)，RRAM可以層疊在CMOS邏輯閘上，從而產(chǎn)生超密邏輯+內(nèi)存系統(tǒng)的解決方案、

　　RRAM技術(shù)具有消費(fèi)類電子產(chǎn)品、家用電器、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和一次性電子產(chǎn)品所需的成本競爭優(yōu)勢(shì)。而且，其經(jīng)過提升的讀寫性能和高能效還有望應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備和可穿戴電子設(shè)備上。

　　隨著RRAM成為主流，我們將看到由大容量嵌入式內(nèi)存支持的高智能化系統(tǒng)解決方案，以及可在聯(lián)網(wǎng)設(shè)備間實(shí)現(xiàn)新型應(yīng)用的高效率微控制器。RRAM是未來的發(fā)展趨勢(shì)，也是將最終讓備受推崇的物聯(lián)網(wǎng)成為現(xiàn)實(shí)的力量之一。