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(kāi)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(kāi)始受到歡迎了。

富士通和松下正在聯(lián)合加大投入開(kāi)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(guó)的中芯國(guó)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(kāi)發(fā)這項(xiàng)技術(shù)。

多年以來(lái)，人們一直在吹捧 ReRAM，說(shuō)它是 NAND 等傳統(tǒng)內(nèi)存技術(shù)的替代者，但 ReRAM 的開(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)不同類(lèi)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(xiě)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(méi)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(shuō)：“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(lái)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(lái)，內(nèi)存行業(yè)一直在尋找一種新的內(nèi)存類(lèi)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(lái)，內(nèi)存行業(yè)一直都在開(kāi)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(lèi)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(shuō)：“他們正在解決 DRAM 和 NAND 的問(wèn)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(xiě)周期，這個(gè)過(guò)程很慢。

總的來(lái)說(shuō)，下一代內(nèi)存類(lèi)型的特點(diǎn)是快、非易失且能提供無(wú)限的耐久性。它們還要能提供位可改寫(xiě)、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(wèn)題在于它們依賴于異乎尋常的材料和復(fù)雜的開(kāi)關(guān)機(jī)制，所以下一代內(nèi)存類(lèi)型需要更長(zhǎng)的開(kāi)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(lèi)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(lèi)型都正迎來(lái)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(lèi)型。

沒(méi)有任何單一一種內(nèi)存類(lèi)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(mén) Coventor 的首席技術(shù)官 David Fried 說(shuō)：“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。”

由英特爾和美光開(kāi)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(lái)提供非易失性。

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

ReRAM 與上述方法都不一樣。在多年的開(kāi)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(chēng)為憶阻器（memristor）的 ReRAM。多年以來(lái)，惠普一直都在開(kāi)發(fā)一款集成整合了憶阻器的面向未來(lái)的系統(tǒng)“The Machine”。但分析人士說(shuō)，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(kāi)始合作開(kāi)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(kāi)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(kāi)始出貨 ReRAM。

其它公司都還在努力開(kāi)發(fā) ReRAM。“Adesto 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。”Web-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(shuō)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(kāi)發(fā)工作。多年來(lái)，索尼和美光一直都在合作開(kāi)發(fā) ReRAM，但美光最近退出了該項(xiàng)目。轉(zhuǎn)而開(kāi)始與英特爾合作重點(diǎn)開(kāi)發(fā) 3D XPoint，留下了沒(méi)有晶圓廠合作伙伴的索尼獨(dú)自開(kāi)發(fā) ReRAM。

在代工廠方面，中芯國(guó)際、臺(tái)積電、聯(lián)電等都正在為代工客戶開(kāi)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(méi)有推出 ReRAM。

晶圓代工廠正在探索所有下一代內(nèi)存類(lèi)型，但它們的重點(diǎn)還是那些長(zhǎng)期看來(lái)更有可能成功的技術(shù)。GlobalFoundries 嵌入式內(nèi)存副總裁 Dave Eggleston 說(shuō)：“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(kāi)發(fā) STT-MRAM。 Eggleston說(shuō)：“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(lái)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(shuō)：“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(lái)說(shuō)，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(lái)說(shuō)，ReRAM 有兩種主要類(lèi)型——氧空缺（oxygen-vacancy）ReRAM 和 CBRAM。氧空缺 ReRAM 也被稱(chēng)為基于氧化物的 ReRAM（oxide-based ReRAM），簡(jiǎn)稱(chēng) 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(kāi)關(guān)介質(zhì)。

圖 1：Filamentary ReRAM 技術(shù)，來(lái)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(lái)自 Adesto

和 OxRAM 類(lèi)似，CBRAM 也是通過(guò)構(gòu)建和摧毀細(xì)絲來(lái)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(lái)形成開(kāi)關(guān)效應(yīng)。有的人將這種技術(shù)歸類(lèi)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(kāi)發(fā)出來(lái)，ReRAM 確實(shí)能帶來(lái)讀/寫(xiě)延遲方面的改善，但它卻有可靠性方面的限制。它的單元開(kāi)關(guān)幾萬(wàn)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(guò)程。電子更輕，而原子更重。

“ReRAM 在紙面上看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但實(shí)際情況卻并非如此?！盇pplied 的 Ping 說(shuō)，“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(shuō)：“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>