ReRAM，旨在替代Nor Flash！_風聞

隨着對更快、更便宜的非易失性存儲器替代品的需求持續增長，尤其是在汽車等應用中，電阻式 RAM 重新受到關注。

嵌入式閃存長期以來一直讓設計人員希望獲得更好的寫入速度和更低的能耗，但隨着該技術的領先優勢縮小到 28 納米，另一個問題出現了。製造這些尺寸的閃存可能需要十幾個掩模，這增加了成本。最重要的是，閃存需要前端較高的熱預算和相對較高的電壓。

這就是潛在競爭對手看到潛在機會的地方，他們正在嘗試使用ReRAM。ReRAM 支持者的一個關鍵論點是，一些新應用需要更高的性能，而僅通過擴展閃存來提高速度已不再是可以實現的。

傳統上，擁有根深蒂固的參與者的內存市場對於新來者和新技術來説很難攻克，部分原因是很難在成本基礎上與那些已經完全折舊其晶圓廠和設備的芯片製造商競爭；部分原因在於隨着時間的推移，現有技術已被證明是有效的；更重要的是，在存在多個參與者的市場中，公司不斷創新以保持競爭力。

因此，如果這些其他技術能夠站穩腳跟，很可能會出現在 NOR 閃存市場的高端市場，那裏有新的機會和更高的平均售價，而不是在 NOR 可能仍然可行的主流市場。

在許多汽車應用中尤其如此，成本是一個關鍵因素。“一輛典型的汽車大約有 20 個閃存設備，”華邦電子營銷副總裁 Jackson Huang 説。“一輛車裏有 6 到 8 個攝像頭有閃光燈。儀表盤使用閃存，信息娛樂系統也是如此。MCU 內置了一定數量的閃存。但真正推動這個市場的是，在過去的幾年裏，隨着無線圖像（over-the-air images）的出現，閃存的使用量在密度和單位出貨量上都顯著增加。通常至少有 2 個圖像，通常是 3 個。您有一個默認圖像，以防出現問題，並且您有當前正在運行的圖像，以及之前的圖像。”

新思科技 (Synopsys) EDA 團隊應用工程總監 Xi-Wei Lin同樣看到了多種選擇的未來。“ReRAM 可以用作物聯網設備的嵌入式存儲器或 MCU 中的獨立單元，”他説。“ReRAM 不受磁攻擊的影響，因此它對於特殊環境中的應用程序或獨特的安全需求可能很有用。NVM 將繼續成為特定於應用的選擇，具體取決於性能、功耗、可靠性、密度、外形尺寸和成本。在我看來，總是需要做出權衡，並且不存在一刀切的解決方案。”

市場研究也支持這些結論。

Business Market Insights 的數據顯示，NOR 市場的複合年增長率為 14%，預計到 2028 年將達到 16.4 億美元。與此同時，根據 Data Bridge Market Research 的數據，ReRAM 的價值將在未來幾年超過 NOR，複合年增長率為 17.2%，預計到 2030 年將達到 21.6 億美元。公司仍然看好所有這些存儲器，特別是考慮到異構集成和快速增長的數據量。

Numen 首席執行官 Jack Guedj 表示：“下一代持久性存儲器和傳統 NOR 閃存有很多優點，但它們的耐用性較低且寫入性能較差。” “對於某些應用程序來説，讀取性能也太慢，並且主動讀取功率太高。這意味着 SoC 設計人員要麼直接從這些存儲器讀取/寫入，要麼添加大型 SRAM 存儲器來緩衝電阻式 RAM，從而在性能和功耗方面付出了沉重代價。”

ReRAM在惠普放棄努力後遭受重創，但近年來已經成熟。現有企業和初創企業解決了產生一致結果所需的棘手材料科學問題，在學術和企業研究實驗室中，ReRAM 已成為神經形態人工智能應用的首選存儲器，正如去年在學術界創建的 NeuRRAM 芯片中所證明的那樣。

倫敦大學學院教授兼 ReRAM 初創公司 Intrinsic 的首席技術官託尼·凱尼恩 (Tony Kenyon) 反思了為解決穩定性等基本挑戰所做的努力。“有很多論文發表，可以追溯到七八年前，其中的小組要麼正在研究氧化物元素週期表，要麼用不同的元素摻雜氧化物，嘗試一些設備，然後轉向下一個。”

在其中一項努力中，IBM 選擇了基於二氧化鉿 (HfO2 ) 的 ReRAM，因為 IBM 之前通過其在用於邏輯晶體管的氧化鉿方面的開創性工作而熟悉了這種材料。IBM 現在正在對其進行調整以滿足深度學習的要求。

Intrinsic 選擇使用氧化硅。“我們可以用氧化物做一些更有趣的事情，”凱尼恩解釋道。“我們可以採用名義上非常絕緣的材料、非常好的電介質，並通過以特定方式構建氧化物，而不是製造已經使用了幾十年的無缺陷均勻、平坦界面化學計量氧化物，而是對其進行工程設計以稍微不同的方式，我們可以採用該材料並使其可切換。我們可以改變兩種截然不同的狀態（高電阻狀態和低電阻狀態）之間的電阻。根據我們如何編程和創建設備，它也可以有更多狀態，從某種意義上説，甚至可以是電阻的模擬變化，但對於存儲設備、ReRAM 存儲設備來説，兩種狀態是一個很好的起點。”

ReRAM 基礎知識

雖然 ReRAM 中的材料科學極其複雜，但基本理論相對簡單。ReRAM 使用電阻作為開關的基礎，而不是電荷。

“基本上，它是一個具有可變電阻的電阻器，可以通過施加特定電壓來改變電阻，並且可以重置和再次設置，”Intrinsic 首席執行官 Mark Dickinson 解釋道。

ReRAM 操作的核心是導電絲，它們通過兩種不同的方法形成和分離。在 OxRAM 中，金屬氧化物材料夾在兩個電極之間。當在頂部電極上施加正電壓時，兩個電極之間會形成導電絲。燈絲由氧空位組成。當在底部電極上施加負電壓時，導電絲會斷裂。實際上，ReRAM 在高電阻狀態和低電阻狀態之間切換。電阻的變化在存儲器中用“0”和“1”表示。

然而，在 CBRAM 中，銅或銀金屬被注入硅中，從而在兩個電極之間形成導電橋或細絲。

圖 1：ReRAM 的工作原理

大多數商業行業的工作，例如台積電與英飛凌的合作，現在都以 OxRAM 為中心。

“兩者都被稱為電阻式 RAM，因為兩者都會改變某些存儲元件的電阻，但在物理和化學方面，它們有很大不同，”Weebit Nano 研發副總裁 Ilan Sever 説道。

“在氧空位中，我們在電阻層上以相反的方向施加不同的電壓，然後根據我們施加的電壓創建或溶解導電絲。通過這種方式，我們可以將細胞重置——也就是説，我們溶解細絲，它不再導電，電阻很高。我們稱之為零狀態或重置。”

Intrinsic 的 Kenyon 進一步解釋説：“我們正在改變氧化物中的某些東西，我們正在創建一個燈絲來橋接兩個電極之間的間隙。這些器件是非常簡單的電容式結構，只有一層氧化物，頂部有一個電極。我們可以製造一根橋接兩個電極的導電燈絲。該細絲由氧空位組成。因此，我們實際上是在氧化物中移動一些氧氣，形成細絲，然後將我們從原始的高電阻狀態轉變為低電阻狀態。當我們反轉極性時，我們將氧氣移回另一個方向並重新氧化燈絲的一小部分，而不是整個燈絲，然後我們可以在低電阻和高電阻狀態之間來回移動很多很多次。”

圖 2：ReRAM 電阻

潛在的 eFlash 替代品

ReRAM 現在是取代高端嵌入式閃存 (eFlash) 系列的主要競爭者之一，儘管不太可能是 NAND 閃存。正如 Objective Analysis 在其 2023 年新興存儲器報告中所寫，“隨着時間的推移，大多數 SoC 中嵌入的 NOR 將幾乎完全被 MRAM、ReRAM、FRAM 或 PCM 取代，這也將有助於推動獨立新存儲器的成功。”

Rambus Labs高級副總裁 Gary Bronner 表示：“與嵌入式閃存相比，ReRAM 需要更少數量的掩膜來與 CMOS 工藝集成，可擴展到更小的節點，並且可字節尋址。傳統 NAND 閃存的主要指標是每比特成本，而 ReRAM 沒有競爭力。”

ReRAM 受到關注的另一個例子是 Weebit Nano 的 ReRAM 現已完全合格並可用於 SkyWater Technology 的 130nm CMOS 工藝。

此外，台積電和英飛凌多年來共同開發ReRAM（也稱為RRAM），現在將其整合到汽車微控制器中。

“幾年前，隨着我們向先進工藝節點邁進，我們認為 RRAM 是嵌入式存儲器的正確選擇，”英飛凌營銷和應用副總裁 Sandeep Krishnegowda説道。“這是一種低功耗技術。它是字節尋址的，因此與閃存不同，您可以直接寫入。耐用性和保持性能與閃存兼容，並且成本更低。十多年來，我們一直與台積電合作開發 RRAM 製造技術和算法。我們首先在一些芯片卡中使用 RRAM，這些卡用於無現金支付和安全身份驗證。在控制器和 MCU 的消費工業市場中，我們使用此類存儲器作為嵌入式閃存的替代品。最近，我們將其帶入汽車領域。”

對於芯片卡來説，ReRAM還有另一個優點，即抗輻射、電磁耐受力高。“如果你考慮支付卡以及每個人想要如何提取信息，你就會希望你的記憶力非常強大，”克里什內戈達指出。

此外，由於 ReRAM 不是基於電荷的，因此不存在泄漏問題，Kenyon 説。

ReRAM 的缺點

與所有內存技術一樣，ReRAM 也有其漏洞。

IBM 首席研究科學家 Takashi Ando 表示：“ReRAM 面臨的根本挑戰是它比其他材料的噪音更大。” “在氧化物 ReRAM 中，我們以隨機方式移動氧空位。在 CBRAM 中，我們以隨機方式使用陽離子。設備的操作存在一定的隨機性，並且伴隨着高噪聲，因此固有噪聲水平是最大的挑戰，但與 MRAM 或其他存儲器相比，對外部刺激的免疫力更強。”

不應低估噪音的影響。“ReRAM 的最大問題是其在單單元級別的固有可變性（噪聲），”Synopsys 的 Lin 説。“從一個轉換週期到另一個轉換週期的電阻變化可能與細胞羣的電阻變化一樣大。對於基於絲狀開關的ReRAM，例如OxRAM和CBRAM，電阻值由在高電場和/或高局部温度下在絲尖端周圍移動的少量氧空位或金屬原子控制。這個過程本質上是隨機的，幾個原子或空位就可以產生很大的影響。所以噪聲是固有的。增加開關電流可能會在一定程度上減輕可變性，但代價是功耗。”

Intrinsic 的 Kenyon 淡化了這種效應。“傳統的行業觀點認為，ReRAM 存在可變性問題，因為它是製造這些細絲的過程中固有的，對此您無能為力，”他説。“但這實際上歸結為材料工程問題。我們已經證明，通過以正確的方式設計材料，可以減少編程電壓的可變性，例如，從高電阻狀態到低電阻狀態所需的不同電壓的分佈。”

Ansys Totem 產品經理 Takeo Tomine也指出，發熱是 ReRAM 的一個問題。“通常，對於低於 7nm 的先進技術節點，器件尺寸會縮小，而電源電壓 (Vdd) 保持恆定，從而導致更高的功率密度和更大的金屬密度，從而產生更多熱量。自熱效應是影響ReRAM可靠性和準確性的關鍵因素。當熱量被困在晶體管器件中時，自熱變得最嚴重。對於 ReRAM，温度變化會降低 R on /R off比，這不利於許多應用（包括人工智能處理）的準確性和可靠性。必須進行仔細的熱管理，特別是在不同設備之間功耗不均勻的設計中。然後，必須對產生的熱量向附近層和設備的擴散進行建模，以捕獲隨時間變化的全芯片熱圖。”

Lin 補充道，“ReRAM 技術的一個主要挑戰是缺乏多物理場（即電熱化學問題）的定量物理模型。經驗模型確實存在，但缺乏基礎物理學。如果沒有好的模型，就很難控制或優化製造流程。”

寫在最後

ReRAM 的競爭對手不會不戰而屈人之兵。

“ReRAM 類型技術的寫入時間非常慢，約為 20,000 到 30,000 納秒。SRAM 大約為 1 或 2 納秒，”Numen 的 Guedj 説道。他聲稱 Numen 的最新技術可以將 ReRAM 寫入時間縮短 100 倍，或者 Numen 的 MRAM 可以進一步將其減少到 50 納秒左右。

MRAM 面臨的挑戰是更高的處理成本，這需要更多的技術進步。以降低處理成本，這可能會隨着時間的推移而發生。大多數大型代工廠都會保留自己的選擇餘地，嘗試雙方，並對沖他們的賭注。”

其他人則認為 ReRAM 會獲勝。西門子 EDA的內存技術專家 Jongsin Yun 表示：“與 MRAM 相比，ReRAM 具有兩大優勢——流程簡單和讀取窗口更寬。” “MRAM 需要超過 10 層堆棧，所有堆棧都需要非常精確地控制才能形成匹配的晶體蛋白。維持高產量具有挑戰性。相比之下，ReRAM 的層堆棧要簡單得多，需要相對較少的精力來維持良率。此外，MRAM 的讀取窗口（開/關比）非常窄，因此很容易因小電阻偏移而發生故障。另一方面，ReRAM 的讀取窗口高出一個數量級以上，因此不易受到寄生電阻偏移的影響。”

然而，在一個重要領域，MRAM 處於領先地位，因此 ReRAM 不太可能成為最後一級緩存的合適選擇。Yun 表示。

“ReRAM 的典型速度在微秒到數百納秒範圍內，不適合用作末級緩存 (LLC)。至於耐用性，ReRAM 產品的目標通常是 1E5 [100,000 個寫入週期] 左右的耐用性，遠低於 LLC 要求（1E12 個週期）。由於這些限制，人們對末級緩存的 MRAM 進行了更多討論。後來被 Dialog Semiconductor（後來又被瑞薩電子收購）收購的 Adesto 展示了高達 10 納秒的 ReRAM 寫入速度。相比之下，IBM 和三星聯合小組以 250ps 的速度演示了 Mbit 的 MRAM，表明速度存在顯着差異。”Yun 接着説。

出於這個原因和其他原因，在可預見的未來，NVM 可能會有多種選擇。

IBM 的 Ando 表示：“讓適合每種應用的 NVM 成為標準，而不是一種適用於所有應用的夢想內存，這是更自然的事情。”“我的期望是，我們會看到針對每個應用程序定製的 NVM，並且這已經在推理和訓練中發生了。”

最後，Rambus 的 Bronner 表示，MRAM 和 ReRAM 似乎都作為嵌入式存儲器受到關注。“從廣義上講，MRAM 的性能似乎略高，但成本也較高。ReRAM 更便宜，但可能無法滿足相同的性能和可靠性。”

每個技術都應該能夠找到一個落腳點，這取決於最終客户願意做出的權衡。