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2018年01月10日 | 新形ReRAM存储器带来低能耗设计
2018-01-10 来源：21IC中国电子网
物联网(IoT)通过广泛的应用，如智能家庭，智能楼宇，智能工厂以及智慧城市，将所有的设备和人们彼此互联互通，因而具备了驱动价值数万亿美金应用的巨大潜力。摩尔定律在开创更快速、更小巧、更低廉的设备方面仍然发挥着作用。其它先进技术，诸如可以将各种微小的传感器和基于云端应用互联的低功耗、低成本的通信系统，开创了从信息共享方式中收获颇丰的新型商业模式。然而，这也面临着诸多障碍。
克服下一代物联网设备中的高能耗操作带来的障碍
更多的互联设备在每一秒中都创建了更多的数据。这些数据被存储，被处理，被上传，被共享。包括了温度、压力、方向、速度、重量、步伐、心跳、亮度等等大量的传感器，将会产生潮水般的信息。这些信息等待着被传送。物联网设备的能耗预算极其有限。而不间断的无线数据传输是一种高能耗的操作。它要消耗远大于依赖电池供电应用系统所允许的能量。
下一代物联网设备将会是低成本、高集成度的系统。这会需要具备更多功能的专用SoC。这其中绝大多数将会在单一电池供电甚或是从环境中供电的条件下，运行5到10年。这在诸如大面积部署于城市间的智能传感器应用场景下的远程应用中尤为关键。常规的电池充电几乎没有可能也不经济。
为了满足能耗预算，必须采取一些节能策略。很多设备被设计成在绝大部分时间里是处在待机状态或其它节能状态。它们只在执行某些必要功能时被激活。设计者不仅会寻求尽可能少量地发送数据，而且会尽量降低发送数据的频次和持续时间来节省能耗。这些能耗预算的严格限制，需要系统中的存储器能够比今天的存储器所能实现的功耗更低、集成度更高。而今天的存储器技术功耗太高、速度太慢、不够可靠也不易于制造。
物联网设备需要创新型的、高能效的存储器技术
创新型的存储器技术将会帮助人们应对物联网中最关键的能耗挑战。更低的功耗和更低的操作电压、单片集成技术、更快速的读写、非易失性以及更高的容量是存储器技术助力物联网实现更高功效的所有途径。通过设计，非易失性存储器可以在电源完全关闭的状态下，保存需要存储的信息。
更强大、却更低功耗的微处理器使通过对传感器待发送的数据进行预处理来降低数据发送量成为可能。然而，高效率的处理能力要求有更大的本地存储容量来存储待处理的数据和要执行的程序。为了降低数据发送的频度，设计者将会最大限度地利用本地数据缓存，利用批量发送数据的方式从而大量的减少了数据发送的频度。更快的读写使数据发送地更快，从而减少了每一次发送的持续时间，优化了开/关的占空比。
因为缺少全球范围认同的物联网互联标准，需要设备能够支持多种标准的协议栈，从而需要更多的存储器用来确保互操作性。今天的片上存储器技术不能微缩到更加经济的工艺节点和实现更大的密度，因此SoC的设计者们被迫依赖于外部存储芯片来满足这些更多的存储器需求。
ReRAM来拯救这一现状
阻变随机存储器在创新型的、低能耗、更加微缩性、高容量、高性能以及高可靠性的存储解决方案的开发竞争中被广泛认为是最有前途的技术。典型的ReRAM存储单元，在两个金属电极之间，像三明治结构那样，部署使用了转换介质材料，从而使转换介质材料在加载特定的电压条件下，表征为不同的电阻特性。依赖于所选取的不同转换介质材料和存储单元的组织架构，所能获取的性能差异是显著的。
不同于闪存，ReRAM是可以比特/字节级寻址的，而且可以实现可独立重写的小页面架构。片上存储通过避免了闪存所必需的数据管理所带来的大量的后台存储器访问，从而极大地简化了微控制器的复杂程度。它还可以使用更宽的存储器总线，突破多个计算核和存储之间的带宽瓶颈。ReRAM在减小读写延迟、降低能耗和延长产品寿命等方面取得了显著的优势。
在存储单元层面，ReRAM提高了写性能，降低了功耗;在系统层面，片上存储器减少了相较于外部非易失性存储器高达50倍的能耗。而且，更低的、更易预测的访问延迟可以减少代码提取和数据流的执行时间，从而降低了能耗。
对各个组件进行不同的机械互连和为应对不同复杂度的各种方法会降低良品率并提高总的制造成本。而存储器的单片集成不再需要这些机械互连和应对不同复杂度的方法。而且，ReRAM技术可以很容易地被集成到标准的CMOS逻辑电路中并且很容易地利用现有的CMOS代工厂进行制造。相较于蓝牙低功耗BLE的无线发送能耗，更多的片上存储可以使数据日志应用节省40倍的能耗。
ReRAM解决方案带来了互连中的物联网领域的伟大创新。能够很容易地、大容量地与逻辑电路、模拟电路和RF组件集成于单个SoC中,并能够在无须电池充电的条件下运行多年的低能耗、快速、非易失性大容量存储器，也使得未来的智能设备在物联网、消费类电子产品和工业应用实现纵横跨越成为可能。
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