评估云和数据中心应用的ReRAM技术选择

电阻式随机存取存储器 （ReRAM） 是开发更具可扩展性、高容量、高性能、更可靠的存储解决方案的竞争中下一个有前途的存储器技术。

电阻式随机存取存储器 （ReRAM） 正在成为一种替代性的非易失性存储器 （NVM） 解决方案，特别是在需要不断提高性能和能效的云和数据中心环境中。随着人类通过视频流等优质服务以及机器通过物联网（IoT）对数据的需求不断增长，ReRAM技术表现出比闪存更低的读取延迟和更快的写入性能，同时还实现了64pJ / cell的程序能量，比NAND提高了20%。

在数据中心环境中，3D垂直ReRAM阵列提供高性能内存子系统，能够取代传统的基于DRAM或闪存的SSD，以更小的外形尺寸和更低的能源需求加快数据处理，存储和检索。借助 ReRAM，在提供 1 个 GIOP/U 的架构中，可以实现低于 5 纳秒的延迟。

典型的ReRAM电池包含夹在两个金属电极之间具有不同电阻特性的开关材料。ReRAM的开关效应基于离子在电场影响下的运动和开关材料存储离子分布的能力。反过来，这会导致ReRAM器件的电阻发生可测量的变化，从而减少介电击穿的影响，随着时间的推移，介电击穿会降低存储器元件的性能。

ReRAM技术最常见的挑战是温度灵敏度，与标准CMOS技术和制造工艺的集成，以及各个ReRAM单元的选择机制。因此，设计人员根据他们选择的开关材料和存储单元组织，采用许多不同的方法来实施ReRAM技术。

结合这些变量，可能会导致ReRAM技术的性能显着差异。因此，在评估 ReRAM 时应考虑的四个关键领域是：

可制造性

性能

密度

能源

让我们仔细看看每一个。

可制造性

在制造ReRAM器件时，CMOS友好型材料和标准制造工艺是首选，因为它允许该技术在两条金属线之间轻松集成，直接连接到CMOS IP逻辑块，并在现有晶圆厂中生产，而无需专用设备或材料（图1）。由于 ReRAM 是一种低温、后端生产线 （BEOL） 工艺集成，因此可以在 CMOS 逻辑晶圆的顶部集成多层 ReRAM 阵列，以构建 3D ReRAM 存储芯片。这使得在单个芯片上实现由片上NVM、处理内核和模拟子系统组成的极其集成的解决方案，从而成为优雅且低成本的解决方案。

与闪存单元中的电子存储相比，少数电子损耗会导致可靠性，保留和循环问题并导致降解，Crossbar的ReRAM单元操作基于非导电层中的金属丝。横杆的 ReRAM 缩放不会影响器件性能，并且有可能实现低于 10 nm 的缩放。

性能

在程序操作方面，当前的 MLC/TLC NAND 或 3D NAND 闪存需要大约 600 μs 到 1 ms 的时间来编程 8 到 16 KB 的页面，对于 4 到 8 MB 的大块页面，大约需要 10 ms。

在编程之前，还必须擦除 NAND 闪存。垃圾回收是NAND闪存中数据管理的附加层，当存储空闲时，需要它来正确释放具有过时数据的块。当垃圾回收在块之间移动数据时收到新请求时，这会产生问题，从而在秒内引入长时间且不确定的延迟。因此，SSD 写入通常包括在 SSD 控制器、NAND 闪存和 DRAM 组件之间多次写入数据，最初是在保存数据时写入数据，后来是在多个垃圾回收周期中移动有效数据时写入数据。因此，写入SSD闪存的数据比主机系统最初发出的数据要多，这种情况很常见。这种差异被称为写入放大（WA）。

WA是不可取的，因为这意味着更多的数据被写入介质，增加磨损，并通过消耗本来会保留给闪存预期功能的操作的带宽来对性能产生负面影响。这在较小的进程节点上尤其重要，其中NAND存储单元的最大周期减少到3，000个程序周期以下。

相反，ReRAM使用位可更改的无擦除操作，与NAND闪存相比，读取延迟降低了100倍，写入性能提高了1000倍，而不受构建大块存储器阵列的限制。ReRAM执行独立原子操作的能力允许将其构建成更小的页面（例如，256 B页面与NAND中的16 KB页面），每个页面都可以单独重新编程。这种类型的体系结构通过删除通常在垃圾回收期间访问的大部分后台内存来减轻存储控制器的负担。NAND闪存系统的WA分数通常在三到四个范围内，而ReRAM的特性使WA等于1。这有利于存储解决方案的读取和写入延迟、能耗和生存期。

针对ReRAM优化的下一代SSD控制器将能够更快地更新更小的页面，进一步减少与NAND相关的后台存储器操作，并提供更低，更确定的读取延迟，约为数十μs。

能源

减少后台内存操作的数量可以提高数据存储解决方案的性能和整体耐用性，还可以降低存储控制器的整体功耗、DRAM 使用率以及数据存储组件消耗的读写功耗预算。

密度

高密度ReRAM面临的一个技术挑战是潜行（或泄漏）电流。使用具有1个TnR存储单元阵列的选择器器件可以缓解这种情况，这使得单个晶体管可以管理大量互连的存储单元。这可实现高容量固态存储。

虽然1 TnR使单个晶体管能够以低功耗驱动2，000多个存储单元，但它也会引发潜行路径电流的泄漏，从而干扰ReRAM阵列的性能和可靠性。Crossbar的现场辅助超线性阈值器件能够抑制低于0.1 nA的泄漏电流，并已成功在4 Mb，3D可堆叠无源集成阵列中进行演示。它实现了 10^10 的最高报告选择性，以及小于 5 mV/dec 的极锐开启斜率、快速启动和恢复 （《50 ns）、大于 100 M 循环耐久性以及低于 300 °C 的加工温度。

为云和数据中心提供更快、更高效的存储

ReRAM 技术通过更快、更密集和超低延迟的解决方案实现下一代企业存储，这些解决方案能够满足不断增长的数据需求。随着能源使用和寿命成为云和数据中心环境中的关键总拥有成本（TCO）指标，ReRAM的进步和数量的增加将继续推动ReRAM的价值主张。

审核编辑：郭婷