關(guān)于ReRAM的性能分析和介紹

OxRAM vs. CBRAM

松下在 2013 年開(kāi)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(kāi)發(fā) 40nm ReRAM，目標(biāo)是在 2018 年推出。聯(lián)電的一處代工廠(chǎng)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(shuō)：“我們認(rèn)為 OxRAM 的滯留特性 （retention property）優(yōu)于 CBRAM?！?/p>

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(shuō)，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(guò)來(lái)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(lái)說(shuō)，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(lái)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(wú)需快速寫(xiě)入速度的解決方案。聯(lián)電的 Sheu 說(shuō)：“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(chē)。”Sheu 說(shuō)，“我們相信 STT-MRAM 未來(lái)可以成為一種優(yōu)良的非易失性?xún)?nèi)存替代方案，因?yàn)樗哂懈玫臄U(kuò)展性和性能。”

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(kāi)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(wú)晶圓廠(chǎng)的創(chuàng)業(yè)公司 Crossbar 沒(méi)有使用 OxRAM 方法，而是使用了電化學(xué)金屬化工藝。據(jù)專(zhuān)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(wèn)題在于難以擴(kuò)展。”Crossbar 營(yíng)銷(xiāo)和業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁 Sylvain Dubois 說(shuō)，“它在單元內(nèi)部對(duì)細(xì)絲進(jìn)行調(diào)節(jié)。其開(kāi)關(guān)比（on/off ratio）不是很好。”

對(duì)于自己的電化學(xué)方案，Crossbar 聲稱(chēng)開(kāi)/關(guān)比會(huì)隨擴(kuò)展而增加。Dubois 說(shuō)：“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(shuō)：“現(xiàn)在我們正在和一家 20 幾納米的晶圓代工廠(chǎng)合作，甚至還有一家 10 幾納米的晶圓代工合作伙伴。”

更重要的是，Crossbar 的 ReRAM 比閃存有更低的讀取延遲和更快的寫(xiě)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(kāi)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(guó)際生產(chǎn)。

Crossbar 也在開(kāi)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(lái)自 Crossbar

Dubois 說(shuō)：“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(pán)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(shuō)：“我認(rèn)為我們不會(huì)一夜之間就替代一種類(lèi)別。我們是要開(kāi)啟新的數(shù)據(jù)存取方式。所以我們并沒(méi)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(shuō)：“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。”

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(kāi)路。

未來(lái)

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(kāi)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(zhuān)用硬件的計(jì)算也被稱(chēng)為神經(jīng)形態(tài)計(jì)算。Ping 說(shuō)：“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(mǎn)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(shuō)：“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)。”