關(guān)于ReRAM的性能分析和介紹

電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（ReRAM）是一種正處于開發(fā)階段的下一代內(nèi)存技術(shù)。在經(jīng)歷了多年的挫折之后，這項(xiàng)技術(shù)終于開始受到歡迎了。

富士通和松下正在聯(lián)合加大投入開發(fā)第二代 ReRAM 器件。此外，Crossbar 正在實(shí)驗(yàn)性地生產(chǎn)一種 40nm ReRAM 技術(shù)，目前正由中國的中芯國際（SMIC）的晶圓廠代工生產(chǎn)。臺(tái)積電（TSMC）和聯(lián)電（UMC）也不甘示弱，最近也已經(jīng)將 ReRAM 加入了自己的發(fā)展路線圖中，并且將在明年左右為自己的客戶開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)。

多年以來，人們一直在吹捧 ReRAM，說它是 NAND 等傳統(tǒng)內(nèi)存技術(shù)的替代者，但 ReRAM 的開發(fā)難度比之前任何人預(yù)測(cè)的都要大。此外，NAND 也比之前所想的發(fā)展得更遠(yuǎn)，導(dǎo)致很多公司延緩甚至終止了它們的 ReRAM 開發(fā)。

并非所有芯片制造商都支持 ReRAM。GlobalFoundries 等一些公司對(duì) ReRAM 技術(shù)就較為冷淡，而是正在開發(fā)不同類型的下一代內(nèi)存技術(shù)。

與閃存相比，ReRAM 的優(yōu)勢(shì)是讀取延遲更低且寫入速度更快。在傳統(tǒng)內(nèi)存中，數(shù)據(jù)以電荷的形式存儲(chǔ)。在 ReRAM 中，會(huì)有一個(gè)電壓被應(yīng)用于一種堆疊的材料，進(jìn)而導(dǎo)致電阻變化，這種變化可以在內(nèi)存中記錄數(shù)據(jù)（0 和 1）。

盡管有這些優(yōu)良屬性，但目前為止出貨 ReRAM 的公司僅有寥寥幾家。其它公司還在攻堅(jiān)克難，因?yàn)?ReRAM 技術(shù)在物理方面非常困難。而且在一些案例中，ReRAM 的性能和可靠性也沒有達(dá)到人們的期待。

ReRAM 不會(huì)取代 NAND 或其它內(nèi)存，但它會(huì)找到自己的位置，尤其是在嵌入式內(nèi)存應(yīng)用領(lǐng)域。聯(lián)電嵌入式非易失性內(nèi)存助理副總裁 Yau Kae Sheu 說：“ReRAM 是一種針對(duì)成本敏感型應(yīng)用的解決方案，比如可穿戴和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。ReRAM 很適合一些低端的 MCU 和內(nèi)存密度要求更低的消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品。”

但對(duì)于未來應(yīng)用，ReRAM 等一些下一代內(nèi)存技術(shù)的目標(biāo)是所謂的存儲(chǔ)級(jí)內(nèi)存（storage-class memory）市場(chǎng)。多年以來，內(nèi)存行業(yè)一直在尋找一種新的內(nèi)存類型，即存儲(chǔ)級(jí)內(nèi)存。這種內(nèi)存可以用在系統(tǒng)的主內(nèi)存（DRAM）和儲(chǔ)存器（NAND 閃存）之間，填補(bǔ)這兩者之間日益增大的延遲差距。

ReRAM 的另一個(gè)潛在應(yīng)用是神經(jīng)形態(tài)計(jì)算（neuromorphic computing）。神經(jīng)形態(tài)計(jì)算使用了腦啟發(fā)的計(jì)算功能，可用于實(shí)現(xiàn)人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)。但是，在 ReRAM 進(jìn)軍這些市場(chǎng)之前，內(nèi)存行業(yè)必須要先小規(guī)模地掌控 ReRAM。

為什么要做下一代內(nèi)存？

多年以來，內(nèi)存行業(yè)一直都在開發(fā) ReRAM 和其它下一代內(nèi)存技術(shù)。因?yàn)閭鹘y(tǒng)內(nèi)存存在很多限制，新的內(nèi)存類型有望填補(bǔ)這些空白。

Applied Materials 硅系統(tǒng)組內(nèi)存和材料總經(jīng)理 Er-Xuan Ping 說：“他們正在解決 DRAM 和 NAND 的問題。NAND 很慢。DRAM 雖然快，但卻是易失性的?！?/p>

DRAM 是易失性的，所以當(dāng)系統(tǒng)斷電時(shí)，它的數(shù)據(jù)會(huì)丟失。閃存在斷電時(shí)也能繼續(xù)保存數(shù)據(jù)。但在實(shí)際工作中，閃存會(huì)經(jīng)歷多輪讀/寫周期，這個(gè)過程很慢。

總的來說，下一代內(nèi)存類型的特點(diǎn)是快、非易失且能提供無限的耐久性。它們還要能提供位可改寫、免擦除的功能，從而可以作為 DRAM 和閃存的完美替代品。

這些內(nèi)存技術(shù)的問題在于它們依賴于異乎尋常的材料和復(fù)雜的開關(guān)機(jī)制，所以下一代內(nèi)存類型需要更長的開發(fā)時(shí)間。與此同時(shí)，內(nèi)存行業(yè)還在繼續(xù)延展 DRAM 和閃存，讓新內(nèi)存類型難以在市場(chǎng)上占據(jù)一席之地。

但是，現(xiàn)在有好幾種新內(nèi)存類型都正迎來發(fā)展勢(shì)頭，其中3D XPoint 和 STT-MRAM 勢(shì)頭最盛。另外還有碳納米管 RAM、FRAM 和 ReRAM 等其它一些類型。

沒有任何單一一種內(nèi)存類型是全能的，能夠處理所有應(yīng)用。每種技術(shù)都有不同的屬性，能夠執(zhí)行不同的功能。Lam Research 的子部門 Coventor 的首席技術(shù)官 David Fried 說：“我預(yù)計(jì)這些先進(jìn)內(nèi)存技術(shù)首先會(huì)被用于能夠體現(xiàn)和利用它們的特有優(yōu)勢(shì)的應(yīng)用中?！?/p>

由英特爾和美光開發(fā)的 3D XPoint 技術(shù)是下一代相變內(nèi)存。而 STT-MRAM 則使用電子自旋的磁性來提供非易失性。

碳納米管 RAM 是使用納米管來形成電阻態(tài)。而 FRAM 則是使用鐵電電容器來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

ReRAM 與上述方法都不一樣。在多年的開發(fā)發(fā)展中，ReRAM 在 2008 年曾變得臭名昭著，那時(shí)候惠普公司提出了一種被稱為憶阻器（memristor）的 ReRAM。多年以來，惠普一直都在開發(fā)一款集成整合了憶阻器的面向未來的系統(tǒng)“The Machine”。但分析人士說，惠普在這項(xiàng)技術(shù)上努力多年之后卻轉(zhuǎn)向了一種更加傳統(tǒng)的內(nèi)存方案，退出了憶阻器的道路。

現(xiàn)在惠普已經(jīng)和西部數(shù)據(jù)開始合作開發(fā)另一種 ReRAM 技術(shù)了。4DS、Adesto、Crossbar、美光、松下、三星、索尼等公司也在開發(fā) ReRAM。

但是到目前為止，松下是唯一一家量產(chǎn) ReRAM 的公司。另外，Crossbar 也有望在今年年底之前開始出貨 ReRAM。

其它公司都還在努力開發(fā) ReRAM?！癆desto 一直在緩慢地出貨低密度 CBRAM，他們相信將在 2018 年實(shí)現(xiàn)大量出貨?！盬eb-Feet Research 首席執(zhí)行官 Alan Niebel 在談到導(dǎo)電橋接 RAM（CBRAM，這是一種 ReRAM）時(shí)說道，“西部數(shù)據(jù)和惠普已經(jīng)陷入困境，但可能能在 2019 年出貨?！?/p>

與此同時(shí)，索尼正在調(diào)整自己的 ReRAM 的開發(fā)工作。多年來，索尼和美光一直都在合作開發(fā) ReRAM，但美光最近退出了該項(xiàng)目。轉(zhuǎn)而開始與英特爾合作重點(diǎn)開發(fā) 3D XPoint，留下了沒有晶圓廠合作伙伴的索尼獨(dú)自開發(fā) ReRAM。

在代工廠方面，中芯國際、臺(tái)積電、聯(lián)電等都正在為代工客戶開發(fā)和/或提供 ReRAM 工藝。但 GlobalFoundries 和三星這兩家到目前為止都還沒有推出 ReRAM。

晶圓代工廠正在探索所有下一代內(nèi)存類型，但它們的重點(diǎn)還是那些長期看來更有可能成功的技術(shù)。GlobalFoundries 嵌入式內(nèi)存副總裁 Dave Eggleston 說：“投資這些技術(shù)的成本很高，行業(yè)只能投資這么多?！?/p>

例如，GlobalFoundries 側(cè)重的技術(shù)是 STT-MRAM。三星、臺(tái)積電和聯(lián)電也正在為代工客戶開發(fā) STT-MRAM。 Eggleston說：“在所有這些技術(shù)中，最具商業(yè)潛力的技術(shù)絕對(duì)是 MRAM。嵌入式 MRAM 正處于最前沿的位置。如果能獲得投資，其它一些技術(shù)得到應(yīng)用的難度將越來越大?！?/p>

ReRAM 有一些優(yōu)勢(shì)，但仍然面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。他補(bǔ)充說：“在采用方面，ReRAM 事實(shí)上有點(diǎn)讓人失望?！?/p>

ReRAM 是什么？

ReRAM 也是一種難以掌握的技術(shù)，但對(duì)晶圓廠的生產(chǎn)來說，它是一種相對(duì)簡(jiǎn)單直接的工藝。ReRAM 和 STT-MRAM 都只需要少量幾個(gè)掩模步驟而且可在晶圓廠中所謂的生產(chǎn)線后道工序（BEOL）制造生成。而且 STT-MRAM 和 ReRAM 都構(gòu)建在芯片的金屬層的觸點(diǎn)或通孔之上。

制造 ReRAM 是一回事，但要使其工作又是另一回事。一般來說，ReRAM 有兩種主要類型——氧空缺（oxygen-vacancy）ReRAM 和 CBRAM。氧空缺 ReRAM 也被稱為基于氧化物的 ReRAM（oxide-based ReRAM），簡(jiǎn)稱 OxRAM。

OxRAM 和 CBRAM 都是二端器件——由一個(gè)頂部電極和一個(gè)底部電極組成。在兩個(gè)電極之間是開關(guān)介質(zhì)。

圖 1：Filamentary ReRAM 技術(shù)，來自 Crossbar

在 OxRAM 中，兩個(gè)電極之間夾著一種金屬氧化物材料。當(dāng)將正電壓施加到頂部電極上時(shí)，在兩個(gè)電極之間會(huì)形成導(dǎo)電細(xì)絲。這些細(xì)絲由離子原子組成。

當(dāng)將負(fù)電壓施加到底部電極上時(shí)，這些導(dǎo)電細(xì)絲會(huì)斷裂。從而在效果上實(shí)現(xiàn)了 ReRAM 在高低電阻之間的切換。在內(nèi)存中，電阻的變化就表示成 0 和 1。

圖 2：工作中的 ReRAM，來自 Adesto

和 OxRAM 類似，CBRAM 也是通過構(gòu)建和摧毀細(xì)絲來創(chuàng)造電阻狀態(tài)。但 CBRAM 是將銅或銀金屬注入到硅中，從而在兩個(gè)電極之間形成導(dǎo)電橋或細(xì)絲。

其他也有一些人在研究非細(xì)絲的方法。與形成細(xì)絲不同，這種技術(shù)是使用自整流技術(shù)來形成開關(guān)效應(yīng)。有的人將這種技術(shù)歸類為 OxRAM。

不管怎樣，ReRAM 技術(shù)都很艱難。Lam Research 副總裁 Thorsten Lill 表示：“如果能開發(fā)出來，ReRAM 確實(shí)能帶來讀/寫延遲方面的改善，但它卻有可靠性方面的限制。它的單元開關(guān)幾萬次之后性質(zhì)就會(huì)改變。這似乎與構(gòu)建細(xì)絲的物理化學(xué)效應(yīng)有關(guān)。我們對(duì)此知之甚少?！?/p>

DRAM 和閃存處理的是電子。而 OxRAM 和CBRAM 則涉及控制離子原子形成細(xì)絲的復(fù)雜過程。電子更輕，而原子更重。

“ReRAM 在紙面上看起來很簡(jiǎn)單，但實(shí)際情況卻并非如此?！盇pplied 的 Ping 說，“當(dāng)你讓離子在材料之中移動(dòng)時(shí)，不只會(huì)形成電流，而且還有響應(yīng)它的電場(chǎng)。其互擴(kuò)散、溫度行為和電行為全都要一起考慮。這必然涉及到處理很多自然參數(shù)。所以非常復(fù)雜?！?/p>

Ping 繼續(xù)說：“比如，當(dāng)你向任何一種 ReRAM 輸入一個(gè)電脈沖時(shí)，都會(huì)出現(xiàn) RC 相互作用。根據(jù) RC 相互作用的不同，局部產(chǎn)生的熱也有所不同而且不會(huì)保持不變。如果這有所不同，那氧的擴(kuò)散速度也會(huì)不同。這是一個(gè)困境。一方面，電子可能太輕了。然后會(huì)導(dǎo)致很高的噪聲。另一方面，原子又太重了。這不是簡(jiǎn)單用電就能解決的?！?/p>

OxRAM vs. CBRAM

松下在 2013 年開始出貨 ReRAM，成為了世界第一家出貨 ReRAM 的公司。那時(shí)候，松下推出的是一款 8 位微控制器（MCU），其中集成了 180nm ReRAM 作為嵌入式內(nèi)存模塊。

去年，松下與富士通聯(lián)合推出了第二代 ReRAM 技術(shù)。同樣基于 180nm 工藝，這款 4 Mbit 的 ReRAM 器件適用于便攜式和醫(yī)療產(chǎn)品等低功耗應(yīng)用。

現(xiàn)在，松下現(xiàn)在正在開發(fā) 40nm ReRAM，目標(biāo)是在 2018 年推出。聯(lián)電的一處代工廠正在為松下制造生產(chǎn)這項(xiàng)技術(shù)。

松下的 ReRAM 基于 OxRAM 方法。松下首席工程師 Zhiqiang Wei 說：“我們認(rèn)為 OxRAM 的滯留特性 （retention property）優(yōu)于 CBRAM。”

在 180nm 節(jié)點(diǎn)，松下的 ReRAM 基于一種 TaOx 材料，帶有一個(gè) Ta2O5 stalking 矩陣。作為比較，Wei 說，40nm 節(jié)點(diǎn) ReRAM 將會(huì)使用“同樣的基本概念，但并不完全一樣的堆疊方式?！?/p>

在器件方面，松下的 ReRAM 是圍繞 1T1R（單晶體管單電阻）架構(gòu)設(shè)計(jì)的。1T1R 需要很大的晶體管，以便為該器件提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流。這反過來又限制了芯片的內(nèi)存密度。

但 1T1R 對(duì)嵌入式內(nèi)存應(yīng)用而言很理想。OEM 會(huì)為嵌入式應(yīng)用使用 MCU 和其它芯片。一般來說，MCU 可以在同一個(gè)器件上集成嵌入式內(nèi)存。嵌入式內(nèi)存通?；?EEPROM 或 NOR 閃存，可用于存儲(chǔ)代碼和其它數(shù)據(jù)。

那么 ReRAM 的適用領(lǐng)域是什么？在一個(gè)案例中，來自富士通-松下組合的 4 Mbit ReRAM 比 EEPROM 的密度更大。實(shí)際上，ReRAM 可以替代 EEPROM。

所以，嵌入式 ReRAM 的定位是低功耗、成本敏感、無需快速寫入速度的解決方案。聯(lián)電的 Sheu 說：“ReRAM 的定位是作為物聯(lián)網(wǎng)和其它應(yīng)用的低成本解決方案?！?/p>

目前 ReRAM 和相近的對(duì)手 STT-MRAM 有不同的市場(chǎng)定位?！癕RAM 針對(duì)的是需要更高性能的應(yīng)用，比如 MCU 和汽車?！盨heu 說，“我們相信 STT-MRAM 未來可以成為一種優(yōu)良的非易失性內(nèi)存替代方案，因?yàn)樗哂懈玫臄U(kuò)展性和性能?！?/p>

在一種應(yīng)用中，STT-MRAM 的定位是在 22nm 及以后節(jié)點(diǎn)的 MCU 中替代 NOR。NOR 在 28nm 節(jié)點(diǎn)之后就難以擴(kuò)展了，需要 STT-MRAM 這樣的新解決方案。隨著時(shí)間推移，ReRAM 也有可能成為 NOR 的替代技術(shù)。

到目前為止，STT-MRAM 已經(jīng)擴(kuò)展到了 28nm，22nm 及以后節(jié)點(diǎn)也正在開發(fā)之中。而 Crossbar 的 ReRAM 技術(shù)處于 40nm 節(jié)點(diǎn)，28nm 及以后節(jié)點(diǎn)的技術(shù)仍在研發(fā)中。

無晶圓廠的創(chuàng)業(yè)公司 Crossbar 沒有使用 OxRAM 方法，而是使用了電化學(xué)金屬化工藝。據(jù)專家介紹，從機(jī)制的角度看，這項(xiàng)工藝使用了接近 CBRAM 的金屬離子細(xì)絲。

“OxRAM 的問題在于難以擴(kuò)展?！盋rossbar 營銷和業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁 Sylvain Dubois 說，“它在單元內(nèi)部對(duì)細(xì)絲進(jìn)行調(diào)節(jié)。其開關(guān)比（on/off ratio）不是很好?！?/p>

對(duì)于自己的電化學(xué)方案，Crossbar 聲稱開/關(guān)比會(huì)隨擴(kuò)展而增加。Dubois 說：“這意味著當(dāng)你擴(kuò)展到下一個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)時(shí)，這種技術(shù)將會(huì)得到改善?！?/p>

所以，Crossbar 的 ReRAM 器件可以擴(kuò)展到 40nm 節(jié)點(diǎn)之后。他說：“現(xiàn)在我們正在和一家 20 幾納米的晶圓代工廠合作，甚至還有一家 10 幾納米的晶圓代工合作伙伴?！?/p>

更重要的是，Crossbar 的 ReRAM 比閃存有更低的讀取延遲和更快的寫入性能。為了利用自己已經(jīng)推向市場(chǎng)的技術(shù)，Crossbar 正在開發(fā)兩種架構(gòu)——1T1R 和一種堆疊式內(nèi)存器件。

Crossbar 的 1T1R 技術(shù)針對(duì)的是嵌入式領(lǐng)域。其第一款 1T1R 產(chǎn)品基于 40nm 工藝，由中芯國際生產(chǎn)。

Crossbar 也在開發(fā)一種用于存儲(chǔ)級(jí)內(nèi)存應(yīng)用的技術(shù)。這種架構(gòu)由單個(gè)層組成，這些層堆疊在器件上。其中內(nèi)置了一個(gè)選擇器（selector），可以讓一個(gè)晶體管驅(qū)動(dòng)一個(gè)或數(shù)千個(gè)內(nèi)存單元。

圖 3：Crossbar 的堆疊式內(nèi)存架構(gòu)，來自 Crossbar

Dubois 說：“在 16nm 節(jié)點(diǎn)下，只需四層，我們就能得到 32 GB 的密度。只需較少的層，我們就能達(dá)到 GB 水平。”

Crossbar 這種堆疊式配置的 ReRAM 的目標(biāo)是用于固態(tài)硬盤和雙列直插式內(nèi)存模塊。對(duì)于這些應(yīng)用，ReRAM 通常與已有的內(nèi)存一起使用。它也可能替代一些 DRAM 和 NAND。

他說：“我認(rèn)為我們不會(huì)一夜之間就替代一種類別。我們是要開啟新的數(shù)據(jù)存取方式。所以我們并沒打算替代即插即用的閃存或 DRAM。而是用在它們之間?！?/p>

ReRAM 在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域還是前景可觀的，但在存儲(chǔ)級(jí)內(nèi)存領(lǐng)域，這項(xiàng)技術(shù)將面臨很大的競(jìng)爭(zhēng)。Applied 的 Ping 說：“它面臨著與已有解決方案的競(jìng)爭(zhēng)。這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)被更大的供應(yīng)商控制著，所以并不容易?！?/p>

另外，將一種新內(nèi)存技術(shù)推向市場(chǎng)還需要大量資源。比如英特爾和美光正在推 3D XPoint 技術(shù)，它們當(dāng)然有資源為它們的業(yè)務(wù)開路。

未來

盡管 ReRAM 在存儲(chǔ)級(jí)內(nèi)存市場(chǎng)能否成功還有待觀察，但這項(xiàng)技術(shù)也可用于其它領(lǐng)域，尤其是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

Facebook 和谷歌等一些公司已經(jīng)開發(fā)出了一些使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以幫助系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)和識(shí)別模式。然后，它可以學(xué)習(xí)到什么屬性是重要的。

這些系統(tǒng)很多都使用了帶有基于 SRAM 的內(nèi)存的 FPGA 和 GPU。內(nèi)存行業(yè)正在為這一領(lǐng)域研發(fā) ReRAM。與 GPU/SRAM 架構(gòu)相比，ReRAM 的密度大得多。

使用 ReRAM 這樣的專用硬件的計(jì)算也被稱為神經(jīng)形態(tài)計(jì)算。Ping 說：“神經(jīng)形態(tài)是模擬的。OxRAM 有這樣的性質(zhì)。其電阻可以改變以滿足神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的需求?！?/p>

但是神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)需要級(jí)聯(lián)多個(gè)堆疊的 ReRAM 器件。如前所述，只是控制單個(gè) ReRAM 器件就已經(jīng)很難了。

控制多個(gè) ReRAM 更是難上加難。Ping 說：“神經(jīng)形態(tài)計(jì)算最終將需要對(duì)電阻進(jìn)行某種控制。同樣，使用 ReRAM 時(shí)，你要讓原子在細(xì)絲中移動(dòng)。所以，這方面有多種可能。這事兒還是個(gè)未知數(shù)?！?/p>