ReRAM能否取代NOR？

　　随着对更快、更便宜的非易失性存储器替代品的需求持续增长，电阻式RAM正重新受到关注，尤其是在汽车等应用中。

　　嵌入式闪存长期以来一直让设计人员希望更高的写入速度和更低的能耗，但随着该技术的领先优势缩小到28纳米，另一个问题出现了。制造这样尺寸的闪存可能需要十几个掩模，这增加了成本。除此之外，闪存要求前端有较高的热预算和相对较高的电压。

　　这是潜在竞争对手看到潜在机会的地方，他们正在利用这个机会ReRAM。ReRAM支持者的一个关键论点是，一些新应用要求更高的性能，而仅仅通过扩展闪存已无法实现更高的速度。

　　对于新来者和新技术来说，传统上存在根深蒂固参与者的存储器市场很难打破，部分原因是很难在成本基础上与已经完全折旧其晶圆厂和设备的芯片制造商竞争，部分原因是现有技术已经被证明随着时间的推移效果良好。最重要的是，在不止一个参与者的市场中，公司不断创新以保持竞争力。因此，如果这些其他技术能够获得稳固的立足点，它可能会在NOR闪存市场的高端，那里有新的机会和更高的ASP，而不是在NOR可能仍然可行的主流市场。

　　在许多汽车应用中尤其如此，因为成本是一个关键因素。“一辆典型的汽车大约有20个闪光灯，”谷歌营销副总裁杰克逊·黄说华邦。“一辆车6到8个摄像头都有闪光灯。仪表组使用闪光灯，信息娱乐系统也是如此。并且MCU带有一些内置的闪存。但真正推动这一市场的是，在过去几年中，随着无线图像的出现，闪存的使用量显著增加，无论是密度还是单位出货量。通常最少有2幅图像，通常是3幅。你有一个默认的图像，以防出现问题，你有当前运行的图像，你有以前的图像。”

　　Xi-林炜，应用工程总监，电子设计自动化集团新思科技同样也看到了一个多种选择的未来。“ReRAM可以用作物联网设备的嵌入式存储器或MCU中的独立单元，”他说。ReRAM不受磁攻击的影响，因此它可能对特殊环境中的应用或独特的安全需求有用。NVM将继续成为特定应用的选择，这取决于性能、功率、可靠性、密度、外形和成本。在我看来，总是要做出权衡，没有放之四海而皆准的解决方案。”

　　市场研究支持这些结论。根据Business Market Insights的数据，NOR市场正以14%的CAGR增长，预计到2028年将达到16.4亿美元。与此同时，根据Data Bridge Market Research的数据，ReRAM的价值将在未来几年超过NOR，CAGR增长率为17.2%，预计到2030年将达到21.6亿美元。公司仍然看好所有这些记忆，特别是考虑到异构集成和快速增长的数据量。

　　Numen首席执行官Jack Guedj表示：“下一代永久存储器和传统NOR闪存有许多好处，但它们的耐用性低，写入性能差。“对于某些应用程序来说，读取性能太慢，而活动读取功率太高。这意味着SoC设计人员要么直接从这些存储器中读取/写入，要么添加一个大SRAM存储器来缓冲电阻RAM，从而在性能和功耗方面付出沉重代价。”

　　ReRAM在惠普放弃努力的情况下受到了打击，近年来已经成熟。现任者和初创企业研究出了产生一致结果所需的棘手的材料科学，在学术和企业研究实验室中，ReRAM已经成为神经形态人工智能应用的首选存储器，正如去年由UCSD和斯坦福大学的学术合作伙伴创建的NeuRRAM芯片所展示的那样。

　　UCL大学教授兼ReRAM start-up Intrinsic首席技术官托尼·凯尼恩（Tony Kenyon）对解决稳定性等根本性挑战的努力进行了反思。“过去七八年里，有很多论文发表，当时一些小组要么在研究氧化物周期表，要么在氧化物中掺入不同的元素，尝试了一些设备，然后继续研究下一个设备。”

　　在这些努力中，IBM选择了基于二氧化铪（HfO2）因为它以前通过对用于逻辑晶体管的氧化铪的开创性工作而熟悉该材料。IBM现在正在调整它，以满足深度学习的要求。

　　Intrinsic选择了氧化硅。“我们可以用氧化物做一些更有趣的事情，”凯尼恩解释道。“我们可以采用名义上非常绝缘的材料，非常好的电介质，通过以特定的方式构造氧化物，而不是制造已经使用了几十年的非常无缺陷的均匀、平坦界面化学计量氧化物，而是以稍微不同的方式设计它，我们可以采用这种材料并使其可切换。我们可以在两种截然不同的状态之间改变电阻，即高阻态和低阻态。取决于我们如何编程和创建器件，它还可以有更多的状态，在某种意义上，甚至是电阻的模拟变化，但对于存储器件，对于ReRAM存储器件，两个状态是一个很好的起点。”

　　潜在的电子闪存替换

　　ReRAM现在是替代高端嵌入式闪存（eFlash）产品线的主要竞争者之一，尽管不太可能是NAND闪存。正如Objective Analysis在其2023年新兴存储器报告中所写的那样，“随着时间的推移，大多数SOC中嵌入的NOR将几乎完全被MRAM、ReRAM、FRAM或PCM所取代，这也将有助于推动独立新内存芯片的成功。”

　　的高级副总裁加里·布朗纳说Rambus实验室，“与嵌入式闪存相比，ReRAM需要较少数量的掩模来与CMOS工艺集成，可扩展至较小的节点，并且是字节可寻址的。传统NAND闪存的主要指标是每位成本，ReRAM没有竞争力。”

　　ReRAM获得关注的另一个例子是Weebit Nano的ReRAM现在完全合格，可用于SkyWater Technology的130纳米CMOS工艺。

　　此外，台积电和英飞凌联合开发ReRAM（也称为RRAM）多年，现在将其集成到汽车微控制器中。

　　“几年前，当我们向高级工艺节点发展时，我们认为RRAM是嵌入式存储器的正确选择，”的营销和应用副总裁Sandeep Krishnegowda说英飞凌（公司名称）。“这是一项低功耗技术。它是字节可寻址的，因此与闪存不同，您可以直接写入。耐用性和保持性能与闪存兼容，并且成本更低。十多年来，我们一直与台积电合作开发制造RRAM的技术和算法。我们开始在一些芯片卡中使用RRAM，这种卡用于无现金支付和安全认证。在控制器和MCU的消费工业市场，我们使用这种存储器作为嵌入式闪存的替代品。最近，我们将其引入汽车行业。”

　　对于芯片卡，ReRAM还有另一个优点，就是抗辐射，电磁耐受性高。“如果你想到支付卡和每个人都想提取信息，你会希望你的记忆非常强大，”Krishnegowda指出。

　　此外，因为ReRAM不是基于电荷的，所以不存在漏电问题，Kenyon说。

　　ReRAM基础

　　尽管ReRAM中的材料科学极其复杂，但基础理论相对简单。ReRAM不使用电荷，而是使用电阻作为开关的基础。

　　“基本上，它是一个可变电阻的电阻器，可以通过施加特定的电压来改变电阻，并且可以重置和再次设置，”Intrinsic的首席执行官Mark Dickinson解释说。

　　ReRAM操作的核心是导电细丝，它们通过两种不同的方法形成和分离。在OxRAM中，金属氧化物材料夹在两个电极之间。当在顶部电极上施加正电压时，在两个电极之间形成导电细丝。灯丝由氧空位组成。当在底部电极上施加负电压时，导电细丝断裂。实际上，ReRAM在高阻态和低阻态之间切换。电阻的变化在存储器中用“0”和“1”来表示。

　　然而，在CBRAM，铜或银金属被注入硅中，在两个电极之间形成导电桥或细丝。

　　图ReRAM的工作原理。来源：Adesto技术公司

　　大多数商业工作，如台积电-英飞凌合作，现在都集中在OxRAM上。

　　Weebit Nano研发副总裁Ilan Sever表示：“两者都被称为电阻式RAM，因为它们都在改变一些存储元件的电阻，但在物理和化学方面，它们有着本质的不同。“在氧空位中，我们在电阻层上施加相反方向的不同电压，然后根据我们施加的电压产生或溶解导电细丝。这样，我们可以将细胞复位，也就是说，我们溶解灯丝，它不再导电，电阻很高。我们称之为零状态或重置。”

　　Intrinsic的Kenyon进一步解释说：“我们正在改变氧化物中的一些东西，我们正在创造一种灯丝，在两个电极之间架起桥梁。这些设备实际上是简单的电容型结构，只有一层氧化物，顶部有一个电极。我们可以制造一种导电的细丝来连接两个电极。那根灯丝是由氧空位组成的。因此，我们实际上是在氧化物中移动一些氧，产生一个细丝，然后这将我们从原始的、真正的高阻态带到低阻态。当我们反转极性时，我们将氧移回另一个方向，并重新氧化细丝的一小部分，而不是全部，然后我们可以在低电阻和高电阻状态之间来回多次。”

　　图2： ReRAM电阻。来源：威比特纳米

　　ReRAM缺点

　　像所有的内存技术一样，ReRAM也有它的弱点。

　　IBM首席研究科学家Takashi Ando说：“ReRAM面临的根本挑战是它比其他材料的噪音更大。”“在氧化物ReRAM中，我们以随机的方式移动氧空位。在CBRAM，我们随机使用阳离子。设备的运行存在一些随机性，这伴随着高噪声，因此内在噪声水平是最大的挑战，但与MRAM或其他存储器相比，对外部刺激的免疫力更强。”

　　不应低估这种噪音的影响。“ReRAM的最大问题是其在单细胞水平上的内在可变性（噪声），”Synopsys的Lin说。从一个开关周期到另一个开关周期的电阻变化可能与一个单元群体的电阻变化一样大。对于基于细丝开关的ReRAM，例如OxRAM和CBRAM，电阻值由在高电场和/或高局部温度下在细丝尖端周围移动的少量氧空位或金属原子控制。这个过程本质上是随机的，几个原子或空位就能产生很大的影响。所以噪声是固有的。增加开关电流可能会在一定程度上减轻可变性，但代价是功耗。”

　　Intrinsic的凯尼恩淡化了这种影响。“传统的行业观点一直认为ReRAM存在可变性问题，因为这是制造这些细丝过程中固有的，你对此无能为力，”他说。“但这确实涉及到材料工程问题。我们已经证明，通过以正确的方式设计材料，您可以减少编程电压的可变性，例如，从高阻态到低阻态所需的不同电压的分布。”

　　Takeo Tomine，图腾产品经理Ansys，还指出热是ReRAM的一个问题。“通常，对于低于7纳米的先进技术节点，在电源电压（Vdd）不变的情况下，器件尺寸会缩小，导致功率密度和金属密度更高，从而产生更多热量。自热效应是影响ReRAM可靠性和准确性的关键因素。在晶体管器件中热量被捕获的地方，自加热变得最严重。对于ReRAM，温度变化会降低R在/R离开比率，这对包括人工智能处理在内的许多应用程序的准确性和可靠性都是不利的。仔细的热管理是必须的，尤其是在不同器件功耗不均衡的设计中。然后，必须对这种产生的热量向附近层和器件的扩散进行建模，以捕捉整个芯片随时间演变的热量情况。“

　　林最后补充道，“ReRAM技术的一个主要挑战是缺乏多物理（即电热化学问题）的定量物理模型。经验模型确实存在，但缺乏基础物理学。没有好的模型，就很难控制或优化制造过程。

　　结论

　　ReRAM的竞争对手不会轻易放弃。ReRAM型技术的写入时间非常慢，大约为20，000到30，000纳秒。SRAM就像1或2纳秒，”Numen的Guedj说。他声称Numen的最新技术可以将ReRAM的写入时间缩短100倍，或者Numen的MRAM可以进一步缩短到50纳秒左右，尽管MRAM面临的挑战是更高的处理成本。“需要更多的技术进步。Flash不能缩小。对MRAM来说，挑战在于降低加工成本，这可能需要一段时间。大多数大型代工厂会保留他们的选择，尝试双方，对冲他们的赌注。”

　　其他人认为胜利将属于雷兰。“与MRAM相比，ReRAM有两个主要优势——工艺简单和更宽的读取窗口，”的内存技术专家Jongsin Yun说西门子EDA。“MRAM需要10层以上的堆叠，所有这些都需要非常精确地控制，才能形成匹配的晶体蛋白。这对于保持高产量是一个挑战。相比之下，ReRAM具有简单得多的叠层，保持产量所需的努力相对较少。此外，MRAM具有非常窄的读取窗口（开/关比），使得它非常容易因小的电阻偏移而失效。另一方面，ReRAM的读取窗口高一个数量级以上，因此不易受寄生电阻偏移的影响。”

　　然而，在一个重要的领域，MRAM领先，所以它不太可能ReRAM将是最后一级缓存的合适选择。Yun说，“ReRAM的典型速度在微秒到数百纳秒的范围内，不适合用作末级缓存（LLC）。至于耐用性，ReRAM产品的目标耐用性通常在1E5 ［100，000个写入周期］左右，远低于LLC的要求（1E12个周期）。由于这些限制，有更多的讨论围绕MRAM的最后一级缓存。Adesto后来被Dialog Semiconductor收购（Dialog Semiconductor又被Renesas收购），展示了高达10ns的ReRAM写入速度。相比之下，IBM和三星联合小组以250ps的速度演示了MRAM的Mbit，这表明了明显的速度差异。”

　　由于这个和其他原因，在可预见的将来，很可能会有几种nvm的选择。

　　IBM的Ando说：“让NVM适用于每一个应用程序成为标准，而不是一个适用于所有应用程序的梦想存储器，这是更自然的事情。”。“我的期望是，我们看到NVM为每个应用定制，这已经在推理和训练中发生了。”

　　最后，Rambus的Bronner说，MRAM和ReRAM似乎都是嵌入式存储器。“总的来说，MRAM的性能似乎略高，但成本也更高。ReRAM更便宜，但可能达不到同样的性能和可靠性。每个人都应该能够找到一个家，这取决于最终客户愿意做出的权衡。”

审核编辑：黄飞