評估云和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用程序的ReRAM技術(shù)選擇

電阻式隨機存取存儲器 （ReRAM） 是在開發(fā)更具可擴展性、高容量、高性能、可靠的存儲解決方案的競賽中下一個有前途的存儲器技術(shù)。

電阻式隨機存取存儲器 （ReRAM） 正在成為一種替代的非易失性存儲器 （NVM） 解決方案，特別是在需要不斷提高性能和能源效率的云和數(shù)據(jù)中心環(huán)境中［1］。隨著人類通過視頻流等高級服務(wù)和機器通過物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 對數(shù)據(jù)的需求不斷增長，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，同時還實現(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 陣列提供了高性能內(nèi)存子系統(tǒng)，能夠取代傳統(tǒng)的基于 DRAM 或閃存的 SSD，從而以更小的外形尺寸和更低的能源需求加速數(shù)據(jù)處理、存儲和檢索。借助 ReRAM，可在提供 1GIOPs/U 的架構(gòu)中實現(xiàn)低于 5 納秒的延遲。

典型的 ReRAM 單元包含夾在兩個金屬電極之間的具有不同電阻特性的開關(guān)材料。ReRAM 的切換效應(yīng)基于離子在電場影響下的運動以及切換材料存儲離子分布的能力。反過來，這會導(dǎo)致 ReRAM 器件的電阻發(fā)生可測量的變化，從而減少隨著時間的推移降低存儲器組件性能的介電擊穿效應(yīng)。

ReRAM 技術(shù)最常見的挑戰(zhàn)是溫度敏感性、與標準 CMOS 技術(shù)和制造工藝的集成，以及單個 ReRAM 單元的選擇器機制。因此，設(shè)計人員根據(jù)他們選擇的開關(guān)材料和存儲單元組織采用許多不同的方法來實現(xiàn) ReRAM 技術(shù)。

綜合起來，這些變量可能會導(dǎo)致 ReRAM 技術(shù)出現(xiàn)顯著的性能差異。因此，評估 ReRAM 時應(yīng)考慮的四個關(guān)鍵領(lǐng)域是：

可制造性

表現(xiàn)

密度

活力

讓我們仔細看看每一個。

可制造性

制造 ReRAM 器件時首選 CMOS 友好材料和標準制造工藝，因為它允許該技術(shù)輕松集成在兩條金屬線之間，直接連接到 CMOS IP 邏輯塊，并在現(xiàn)有晶圓廠生產(chǎn)，無需專門的設(shè)備或材料（圖1）。由于 ReRAM 是一種低溫、后端 （BEOL） 工藝集成，因此可以在 CMOS 邏輯晶片上集成多層 ReRAM 陣列，以構(gòu)建 3D ReRAM 存儲芯片。這使得高度集成的解決方案在一個優(yōu)雅且低成本的解決方案中由單個芯片上的片上 NVM、處理內(nèi)核和模擬子系統(tǒng)組成。

【圖1 | 使用標準 CMOS 工藝制造 ReRAM。］

與閃存單元中的電子存儲相比，其中一些電子損失會導(dǎo)致可靠性、保留和循環(huán)問題，從而導(dǎo)致退化，而 Crossbar 的 ReRAM 單元操作基于非導(dǎo)電層中的金屬絲。Crossbar 的 ReRAM 縮放不會影響器件性能，并且具有低于 10 納米縮放的潛力。

【圖2 | Crossbar ReRAM 的單元操作允許該技術(shù)擴展到 10 納米以下工藝而不會退化。］

表現(xiàn)

在編程操作方面，當(dāng)前的 MLC/TLC NAND 或 3D NAND 閃存需要大約 600 μs 到 1 ms 來編程 8 到 16 KB 頁面，而對于大塊、4 到 8 MB 頁面大約需要 10 ms。

NAND閃存在被編程之前也必須被擦除。垃圾收集是 NAND 閃存中數(shù)據(jù)管理的附加層，需要在存儲空閑時正確釋放具有過時數(shù)據(jù)的塊。當(dāng)垃圾收集將數(shù)據(jù)從一個塊移動到另一個塊時收到一個新請求時，這會產(chǎn)生問題，從而在幾秒的范圍內(nèi)引入長且不確定的延遲。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，然后是在多個垃圾回收周期中移動有效數(shù)據(jù)時。因此，寫入 SSD 閃存的數(shù)據(jù)多于主機系統(tǒng)最初發(fā)出的數(shù)據(jù)是很常見的。這種差異稱為寫入放大 （WA）。

WA 是不可取的，因為這意味著更多的數(shù)據(jù)被寫入介質(zhì)，增加了磨損，并且通過消耗原本為閃存的預(yù)期功能操作而保留的帶寬而對性能產(chǎn)生負面影響。這在較小的工藝節(jié)點上尤其重要，其中 NAND 存儲單元的最大周期降至 3，000 個編程周期以下。

相反，ReRAM 使用可更改位、免擦除操作，與 NAND 閃存相比，可提供低 100 倍的讀取延遲和快 1000 倍的寫入性能，而不受構(gòu)建大塊內(nèi)存陣列的限制。ReRAM 執(zhí)行獨立原子操作的能力允許將其構(gòu)建為更小的頁面（例如 256 B 頁面與 NAND 中的 16 KB 頁面），每個頁面都可以單獨重新編程。這種類型的架構(gòu)通過刪除通常在垃圾收集期間訪問的大部分后臺內(nèi)存來減輕存儲控制器的負擔(dān)。NAND 閃存系統(tǒng)的 WA 分數(shù)通常在 3 到 4 范圍內(nèi)，而 ReRAM 的特性使 WA 等于 1。這有利于存儲解決方案的讀寫延遲、能耗和使用壽命。

針對 ReRAM 優(yōu)化的下一代 SSD 控制器將能夠更快地更新較小的頁面，進一步減少與 NAND 相關(guān)的后臺內(nèi)存操作，并提供大約數(shù)十微秒的更低、更具確定性的讀取延遲。

活力

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

密度

高密度 ReRAM 面臨的一項技術(shù)挑戰(zhàn)是潛行（或泄漏）電流。這可以使用具有 1 個 TnR 存儲單元陣列的選擇器設(shè)備來緩解，這使得單個晶體管可以管理大量互連的存儲單元。這使得大容量固態(tài)存儲成為可能。

雖然 1 TnR 使單個晶體管能夠以低功耗驅(qū)動 2，000 多個存儲單元，但它也會導(dǎo)致潛行路徑電流的泄漏，從而干擾 ReRAM 陣列的性能和可靠性。Crossbar 的場輔助超線性閾值器件能夠?qū)⑿孤╇娏饕种圃?0.1 nA 以下，并已在 4 Mb、3D 可堆疊無源集成陣列中成功展示。它實現(xiàn)了報告的最高選擇性 10^10，以及小于 5 mV/dec 的極其陡峭的開啟斜率、快速的開啟和恢復(fù) （《50 ns）、大于 100 M 的循環(huán)壽命和加工溫度低于300°C。

為云和數(shù)據(jù)中心提供更快、更高效的存儲

ReRAM 技術(shù)通過能夠滿足不斷增長的數(shù)據(jù)需求的更快、更密集和超低延遲的解決方案實現(xiàn)下一代企業(yè)存儲。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，ReRAM 的進步和容量的增加將繼續(xù)推動 ReRAM 的價值主張。

審核編輯：郭婷