ReRAM：DRAM和NAND的最強繼任者？

作者：熊熊

當(dāng)今的存儲世界由DRAM和NAND Flash占據(jù)，隨著萬物智聯(lián)的時代到來，各個行業(yè)對存儲都提出了更高的要求，以ReRAM為代表的新型存儲器由此而生。

存儲器是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的重要分支，約占全球半導(dǎo)體市場的四分之一至三分之一。存儲器已經(jīng)形成主要由DRAM與Flash構(gòu)成的超千億美元的市場。盡管存儲器產(chǎn)品品類眾多，但從產(chǎn)品營收貢獻的角度來看，DRAM和Flash（NAND、NOR）的營收占比超95%。

DRAM與Flash雖然在存儲器領(lǐng)域近乎“絕對壟斷”，但是，人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、5G到來，都加速了數(shù)字化浪潮來襲。在這個背景下，數(shù)據(jù)處理的需求量呈指數(shù)級上升，半導(dǎo)體從業(yè)者紛紛加大對存儲技術(shù)的研發(fā)與投資，想實現(xiàn)成本更低、速度更快、效能更好的存儲。

龍頭也有短板

存儲市場中，最常見且被廣泛應(yīng)用的存儲器為DRAM與NAND。近年來隨著半導(dǎo)體制程持續(xù)朝更小的技術(shù)節(jié)點邁進，DRAM與NAND嚴重面臨尺寸微縮挑戰(zhàn)，DRAM目前已接近微縮極限，而NAND則全力朝3D架構(gòu)轉(zhuǎn)型。

此外，隨著數(shù)據(jù)量的爆發(fā)增長，DRAM及NAND在耗電量及數(shù)據(jù)訪問速度上已無法跟上需求的腳步。他們在需要高速運算的應(yīng)用場景中也有一些阻礙。

基于這些原因，下一代存儲技術(shù)為了補位，出現(xiàn)在大家的視野中。

新生代存儲：PCRAM、MRAM、ReRAM

經(jīng)過各個廠商數(shù)十年的不懈努力，下一代存儲已經(jīng)出現(xiàn)了幾位極具潛力的種子選手：PCRAM、磁阻式內(nèi)存MRAM、以及電阻式內(nèi)存ReRAM。這些新興存儲的技術(shù)性能也各有差異。

PCRAM（相變隨機存儲器）

PCRAM是一種利用相變材料作為存儲介質(zhì)，通過相變材料在電流的焦耳熱作用下，在結(jié)晶相態(tài)和非晶相態(tài)之間快速并可逆的轉(zhuǎn)換時，會呈現(xiàn)出的不同電阻率這一特性來實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲的技術(shù)。

與NAND相比，PCRAM在寫入更新代碼之前不需要擦除以前的代碼或數(shù)據(jù)，所以在速度方面，比NAND有優(yōu)勢，讀寫時間較為均衡。然而，PCRAM雖然讀寫速度比NAND有所提高，但冷卻過程會帶來更高功耗。其次，為了使相變材料兼容CMOS工藝，PCRAM必須采取多層結(jié)構(gòu)，因此存儲密度過低，在容量上無法替代NAND。

PCRAM早已逐漸步入產(chǎn)業(yè)化進程。

2006年，英特爾和美光成立IM Flash Technologies，開始合作研發(fā)新的存儲器技術(shù)。2012年，雙方開始合作3D XPoint存儲項目，3D XPoint技術(shù)也是PCRAM的一種。2015年7月，美光和因特爾聯(lián)合發(fā)表了發(fā)表雙方共同研發(fā)的存儲器技術(shù)：3D XPoint存儲器技術(shù)。

MARM（磁性隨機存儲器）

MRAM（磁性隨機存儲器）靠磁場極化而非電荷來存儲數(shù)據(jù)，存儲單元由自由磁層、隧道柵層、固定磁層組成。自由磁層的磁場極化方向可以改變，固定層的磁場方向不變，當(dāng)自由層與固定層的磁場方向平行時，存儲單元呈現(xiàn)低電阻；反之呈高電阻，通過檢測存儲單元電阻的高低，即可判斷所存數(shù)據(jù)是0還是1。MRAM擁有SRAM的高速讀取寫入能力，以及DRAM的高集成度，而且基本上可以無限次地重復(fù)寫入。

MRAM最大的缺點是存儲單元之間存在干擾，當(dāng)對目標(biāo)位進行編程時，非目標(biāo)位中的自由層很容易被誤編程，尤其是在高密度情況下，相鄰單元間的磁場的交疊會愈加嚴重。

從開始研究到現(xiàn)在，MRAM已經(jīng)有20多年歷史了。

上世紀(jì)末，前沿半導(dǎo)體公司已經(jīng)開始對MRAM的研究。1995年摩托羅拉（其芯片部門后獨立成為飛思卡爾半導(dǎo)體，飛思卡爾半導(dǎo)體在2015年被恩智浦收購）演示了第一個MRAM芯片，并生產(chǎn)出了1MB的芯片原型。

20多年來，IBM、TDK、STT、Intel、格芯、ST意法半導(dǎo)體等公司相繼入局，都在MRAM的商用產(chǎn)品上有了自己的產(chǎn)品或技術(shù)。今年1月份，三星公司成功開發(fā)出新的MRAM陣列。

ReRAM（阻變存儲器）

ReRAM（阻變存儲器，也稱憶阻器）是當(dāng)下最有前景的新型非易失性存儲技術(shù)之一，其器件結(jié)構(gòu)簡單，操作方式簡捷，具有尺寸易于縮小，高速度，低功耗，低成本，易與CMOS工藝兼容等諸多特點。

典型的ReRAM由兩個金屬電極夾一個薄介電層組成，介電層作為離子傳輸和存儲介質(zhì)。在上下電極間施加電壓，中間的阻變層中會形成一條導(dǎo)電通道。通過改變上下電極間的電壓來控制導(dǎo)電通道的狀態(tài)，進而使得存儲器件的電阻值發(fā)生變化。不同的電阻值代表不同的存儲狀態(tài)，即使去掉電極上的電壓信號，電阻值仍然會繼續(xù)保持，因此可以實現(xiàn)非易失性存儲。

ReRAM的單元面積小，讀寫速度是NAND的1000倍，同時功耗可以降低15倍。

ReRAM工藝也更為簡單。以Crossbar為例，Crossbar的ReRAM能夠使用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝與設(shè)備，對產(chǎn)線無污染，整體制造成本低，可以很容易地讓半導(dǎo)體代工廠具備ReRAM的生產(chǎn)制造能力，這對于量產(chǎn)和商業(yè)化推動有很大優(yōu)勢。

從密度、能效比、成本、工藝制程和良率各方面綜合衡量，ReRAM存儲器在目前已有的新型存儲器中具備明顯優(yōu)勢。

多點開花的ReRAM應(yīng)用領(lǐng)域

ReRAM的優(yōu)越性能也讓其應(yīng)用也十分廣泛。

AIoT：效能與安全是要義

AIoT主要由微型設(shè)備組成，供電能力弱且需要數(shù)據(jù)實時交互，因此不僅要求存儲器件低功耗，也需要高速度和低延遲。ReRAM在讀寫速度和功耗幾倍到幾百倍的提升，并可實現(xiàn)更高的存儲密度。

AIoT的數(shù)據(jù)要求具備基本的信息安全和隱私保護能力。一些廠商的ReRAM都帶有PUF密鑰，每顆存儲芯片都擁有唯一信任根和唯一主動標(biāo)識ID，結(jié)合通用密碼算法，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和程序的防復(fù)制和防篡改能力。

人工智能：亟需打破存儲墻

人工智能不斷發(fā)展，對存儲和計算提出了更高的要求。目前計算機還是依然延續(xù)馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，存儲單元和計算單元獨立分開，

現(xiàn)有馮·諾伊曼計算系統(tǒng)采用存儲和運算分離的架構(gòu)，存在“存儲墻”與“功耗墻”瓶頸，嚴重制約系統(tǒng)算力和能效的提升。“能效比低”已經(jīng)成為人工智能芯片的瓶頸問題。

ReRAM可以直接在芯片上集成處理邏輯，從而實現(xiàn)全新的以內(nèi)存為中心的SoC架構(gòu)。ReRAM的優(yōu)越特性有助于解決這些算法所需的性能和能源挑戰(zhàn)。通過減少存儲和計算之間的性能差距。

數(shù)據(jù)中心：高速計算提出更高要求

DRAM讀寫速度很快，但是無法下電保存數(shù)據(jù)，NAND密度高，可以下電保存數(shù)據(jù)，但是讀寫速度延遲高。高速計算、5G、萬物互聯(lián)等應(yīng)用場景正在推動數(shù)據(jù)中心、智能終端的高速增長和轉(zhuǎn)型，對數(shù)據(jù)中心和智能終端提出了性能的更高要求。

通過利用ReRAM密度高、能耗低、讀寫速度快及可下電數(shù)據(jù)保存的特點，能幫助用戶大幅提升數(shù)據(jù)中心性能，降低能耗，達到運營成本的大幅降低。

國內(nèi)外廠商的ReRAM布局

ReRAM相比MRAM和PRAM，研究要稍晚。2000年，夏普購買了美國休斯敦大學(xué)的相關(guān)專利后，才引起學(xué)術(shù)界和業(yè)界的研究。由于ReRAM獨特的優(yōu)勢，主流存儲器廠商也紛紛投入力量，開始對ReRAM的研究。ReRAM也已經(jīng)由實驗室階段進入到企業(yè)的研發(fā)階段。

松下在2013年開始出貨ReRAM，成為了世界第一家出貨ReRAM的公司。

2016年11月，富士通半導(dǎo)體開始銷售其與Panasonic共同開發(fā)的4兆字節(jié)（MB）ReRAM芯片。今年4月，富士通推出12Mbit ReRAM MB85AS12MT，這是富士通ReRAM產(chǎn)品系列中密度最大的產(chǎn)品。

ReRAM技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者Crossbar成立于2010年。Crossbar將其技術(shù)作為現(xiàn)成的或定制的IP內(nèi)核授權(quán)給SoC和內(nèi)存公司。Crossbar也在積極發(fā)展其生態(tài)系統(tǒng)硬件和軟件合作伙伴。2021年7月，Crossbar它宣布將其ReRAM設(shè)備用于PUF應(yīng)用。

Intrinsic是倫敦大學(xué)學(xué)院的一家衍生公司，旨在將新型憶阻ReRAM器件商業(yè)化。今年2月份，Intrinsic及其合作伙伴imec已將Intrinsic的ReRAM技術(shù)擴展到50nm。

今年3月，Weebit宣布，借助CEA-Leti，將其ReRAM技術(shù)縮小到22nm。兩家公司正在設(shè)計一個完整的IP內(nèi)存模塊，該模塊集成了一個針對先進的22nmFD-SOI工藝的多兆位ReRAM塊。Weebit也正在迅速加快其開發(fā)計劃。

實質(zhì)上，除去專門研究生產(chǎn)ReRAM的存儲廠商，還有一些存儲廠商采取的是兩邊下注的策略。因為他們要確保一旦DRAM和NAND不能再滿足市場發(fā)展需求，必須有一些研究成果可以取而代之。

2016年，西部數(shù)據(jù)就宣布將在即將推出的專用SSD中使用3D ReRAM，以取代NAND閃存。

國內(nèi)在ReRAM領(lǐng)域的研究也有了一些成果。

今年2月16日，由昕原半導(dǎo)體主導(dǎo)建設(shè)的大陸首條28/22nm ReRAM 12寸中試生產(chǎn)線順利完成了自主研發(fā)設(shè)備的裝機驗收工作，實現(xiàn)了中試線工藝流程的通線，并成功流片。

實際上，昕原半導(dǎo)體專注于ReRAM領(lǐng)域，是一家集核心技術(shù)、工藝制程、芯片設(shè)計、IP授權(quán)和生產(chǎn)服務(wù)于一體的新型IDM公司。該公司的核心產(chǎn)品覆蓋高工藝嵌入式存儲、高密度非易失性存儲、存內(nèi)計算及存內(nèi)搜索等多個領(lǐng)域。

除了IDM廠商外，代工廠商也積極發(fā)展先進技術(shù)以配合ReRAM的發(fā)展與生產(chǎn)。

2016年，中芯國際與Crossbar簽訂一份代工協(xié)議，基于中芯國際40納米CMOS制造工藝，為Crossbar生產(chǎn)ReRAM。

2017年，中芯國際正式出樣40nm工藝的ReRAM芯片。

2021年，臺積電40nmReRAM進入量產(chǎn)，28nm和22nmReRAM準(zhǔn)備量產(chǎn)。

ReRAM未來前景光明，近幾年，也是ReRAM發(fā)展最關(guān)鍵的時期。在新興的存儲技術(shù)中，ReRAM技術(shù)對于降低存儲器計算的能耗、提高成本效益至關(guān)重要，因而極具發(fā)展前景。然而，要想把握這些機會，真正成為DRAM和NAND的繼任者，ReRAM還有很長的路要走。