ReRAM，旨在替代Nor Flash！

嵌入式闪存长期以来一直让设计人员希望获得更好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。制造这些尺寸的闪存可能需要十几个掩模，这增加了成本。最重要的是，闪存需要前端较高的热预算和相对较高的电压。

这就是潜在竞争对手看到潜在机会的地方，他们正在尝试使用ReRAM。ReRAM 支持者的一个关键论点是，一些新应用需要更高的性能，而仅通过扩展闪存来提高速度已不再是可以实现的。

传统上，拥有根深蒂固的参与者的内存市场对于新来者和新技术来说很难攻克，部分原因是很难在成本基础上与那些已经完全折旧其晶圆厂和设备的芯片制造商竞争；部分原因在于随着时间的推移，现有技术已被证明是有效的；更重要的是，在存在多个参与者的市场中，公司不断创新以保持竞争力。

因此，如果这些其他技术能够站稳脚跟，很可能会出现在 NOR 闪存市场的高端市场，那里有新的机会和更高的平均售价，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，成本是一个关键因素。“一辆典型的汽车大约有 20 个闪存设备，”华邦电子营销副总裁 Jackson Huang 说。“一辆车里有 6 到 8 个摄像头有闪光灯。仪表盘使用闪存，信息娱乐系统也是如此。MCU 内置了一定数量的闪存。但真正推动这个市场的是，在过去的几年里，随着无线图像（over-the-air images）的出现，闪存的使用量在密度和单位出货量上都显著增加。通常至少有 2 个图像，通常是 3 个。您有一个默认图像，以防出现问题，并且您有当前正在运行的图像，以及之前的图像。”

新思科技 (Synopsys) EDA 团队应用工程总监 Xi-Wei Lin同样看到了多种选择的未来。“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，因此它对于特殊环境中的应用程序或独特的安全需求可能很有用。NVM 将继续成为特定于应用的选择，具体取决于性能、功耗、可靠性、密度、外形尺寸和成本。在我看来，总是需要做出权衡，并且不存在一刀切的解决方案。”

市场研究也支持这些结论。

Business Market Insights 的数据显示，NOR 市场的复合年增长率为 14%，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，复合年增长率为 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存储器，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：“下一代持久性存储器和传统 NOR 闪存有很多优点，但它们的耐用性较低且写入性能较差。” “对于某些应用程序来说，读取性能也太慢，并且主动读取功率太高。这意味着 SoC 设计人员要么直接从这些存储器读取/写入，要么添加大型 SRAM 存储器来缓冲电阻式 RAM，从而在性能和功耗方面付出了沉重代价。”

ReRAM在惠普放弃努力后遭受重创，但近年来已经成熟。现有企业和初创企业解决了产生一致结果所需的棘手材料科学问题，在学术和企业研究实验室中，ReRAM 已成为神经形态人工智能应用的首选存储器，正如去年在学术界创建的 NeuRRAM 芯片中所证明的那样。

伦敦大学学院教授兼 ReRAM 初创公司 Intrinsic 的首席技术官托尼·凯尼恩 (Tony Kenyon) 反思了为解决稳定性等基本挑战所做的努力。“有很多论文发表，可以追溯到七八年前，其中的小组要么正在研究氧化物元素周期表，要么用不同的元素掺杂氧化物，尝试一些设备，然后转向下一个。”

在其中一项努力中，IBM 选择了基于二氧化铪 (HfO 2 ) 的 ReRAM，因为 IBM 之前通过其在用于逻辑晶体管的氧化铪方面的开创性工作而熟悉了这种材料。IBM 现在正在对其进行调整以满足深度学习的要求。

Intrinsic 选择使用氧化硅。“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，并通过以特定方式构建氧化物，而不是制造已经使用了几十年的无缺陷均匀、平坦界面化学计量氧化物，而是对其进行工程设计以稍微不同的方式，我们可以采用该材料并使其可切换。我们可以改变两种截然不同的状态（高电阻状态和低电阻状态）之间的电阻。根据我们如何编程和创建设备，它也可以有更多状态，从某种意义上说，甚至可以是电阻的模拟变化，但对于存储设备、ReRAM 存储设备来说，两种状态是一个很好的起点。”

虽然 ReRAM 中的材料科学极其复杂，但基本理论相对简单。ReRAM 使用电阻作为开关的基础，而不是电荷。

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

ReRAM 操作的核心是导电丝，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，两个电极之间会形成导电丝。灯丝由氧空位组成。当在底部电极上施加负电压时，导电丝会断裂。实际上，ReRAM 在高电阻状态和低电阻状态之间切换。电阻的变化在存储器中用“0”和“1”表示。

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

图 1：ReRAM 的工作原理

大多数商业行业的工作，例如台积电与英飞凌的合作，现在都以 OxRAM 为中心。

“两者都被称为电阻式 RAM，因为两者都会改变某些存储元件的电阻，但在物理和化学方面，它们有很大不同，”Weebit Nano 研发副总裁 Ilan Sever 说道。

“在氧空位中，我们在电阻层上以相反的方向施加不同的电压，然后根据我们施加的电压创建或溶解导电丝。通过这种方式，我们可以将细胞重置——也就是说，我们溶解细丝，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某些东西，我们正在创建一个灯丝来桥接两个电极之间的间隙。这些器件是非常简单的电容式结构，只有一层氧化物，顶部有一个电极。我们可以制造一根桥接两个电极的导电灯丝。该细丝由氧空位组成。因此，我们实际上是在氧化物中移动一些氧气，形成细丝，然后将我们从原始的高电阻状态转变为低电阻状态。当我们反转极性时，我们将氧气移回另一个方向并重新氧化灯丝的一小部分，而不是整个灯丝，然后我们可以在低电阻和高电阻状态之间来回移动很多很多次。”

图 2：ReRAM 电阻

ReRAM 现在是取代高端嵌入式闪存 (eFlash) 系列的主要竞争者之一，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，“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 取代，这也将有助于推动独立新存储器的成功。”

Rambus Labs高级副总裁 Gary Bronner 表示：“与嵌入式闪存相比，ReRAM 需要更少数量的掩膜来与 CMOS 工艺集成，可扩展到更小的节点，并且可字节寻址。传统 NAND 闪存的主要指标是每比特成本，而 ReRAM 没有竞争力。”

ReRAM 受到关注的另一个例子是 Weebit Nano 的 ReRAM 现已完全合格并可用于 SkyWater Technology 的 130nm CMOS 工艺。

此外，台积电和英飞凌多年来共同开发ReRAM（也称为RRAM），现在将其整合到汽车微控制器中。

“几年前，随着我们向先进工艺节点迈进，我们认为 RRAM 是嵌入式存储器的正确选择，”英飞凌营销和应用副总裁 Sandeep Krishnegowda说道。“这是一种低功耗技术。它是字节寻址的，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 RRAM 制造技术和算法。我们首先在一些芯片卡中使用 RRAM，这些卡用于无现金支付和安全身份验证。在控制器和 MCU 的消费工业市场中，我们使用此类存储器作为嵌入式闪存的替代品。最近，我们将其带入汽车领域。”

对于芯片卡来说，ReRAM还有另一个优点，即抗辐射、电磁耐受力高。“如果你考虑支付卡以及每个人想要如何提取信息，你就会希望你的记忆力非常强大，”克里什内戈达指出。

此外，由于 ReRAM 不是基于电荷的，因此不存在泄漏问题，Kenyon 说。

与所有内存技术一样，ReRAM 也有其漏洞。

IBM 首席研究科学家 Takashi Ando 表示：“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，我们以随机方式移动氧空位。在 CBRAM 中，我们以随机方式使用阳离子。设备的操作存在一定的随机性，并且伴随着高噪声，因此固有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。”

不应低估噪音的影响。“ReRAM 的最大问题是其在单单元级别的固有可变性（噪声），”Synopsys 的 Lin 说。“从一个转换周期到另一个转换周期的电阻变化可能与细胞群的电阻变化一样大。对于基于丝状开关的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，几个原子或空位就可以产生很大的影响。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 Kenyon 淡化了这种效应。“传统的行业观点认为，ReRAM 存在可变性问题，因为它是制造这些细丝的过程中固有的，对此您无能为力，”他说。“但这实际上归结为材料工程问题。我们已经证明，通过以正确的方式设计材料，可以减少编程电压的可变性，例如，从高电阻状态到低电阻状态所需的不同电压的分布。”

Ansys Totem 产品经理 Takeo Tomine也指出，发热是 ReRAM 的一个问题。“通常，对于低于 7nm 的先进技术节点，器件尺寸会缩小，而电源电压 (Vdd) 保持恒定，从而导致更高的功率密度和更大的金属密度，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。当热量被困在晶体管器件中时，自热变得最严重。对于 ReRAM，温度变化会降低 R on /R off比，这不利于许多应用（包括人工智能处理）的准确性和可靠性。必须进行仔细的热管理，特别是在不同设备之间功耗不均匀的设计中。然后，必须对产生的热量向附近层和设备的扩散进行建模，以捕获随时间变化的全芯片热图。”

Lin 补充道，“ReRAM 技术的一个主要挑战是缺乏多物理场（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。如果没有好的模型，就很难控制或优化制造流程。”

ReRAM 的竞争对手不会不战而屈人之兵。

“ReRAM 类型技术的写入时间非常慢，约为 20,000 到 30,000 纳秒。SRAM 大约为 1 或 2 纳秒，”Numen 的 Guedj 说道。他声称 Numen 的最新技术可以将 ReRAM 写入时间缩短 100 倍，或者 Numen 的 MRAM 可以进一步将其减少到 50 纳秒左右。

MRAM 面临的挑战是更高的处理成本，这需要更多的技术进步。以降低处理成本，这可能会随着时间的推移而发生。大多数大型代工厂都会保留自己的选择余地，尝试双方，并对冲他们的赌注。”

其他人则认为 ReRAM 会获胜。西门子 EDA的内存技术专家 Jongsin Yun 表示：“与 MRAM 相比，ReRAM 具有两大优势——流程简单和读取窗口更宽。” “MRAM 需要超过 10 层堆栈，所有堆栈都需要非常精确地控制才能形成匹配的晶体蛋白。维持高产量具有挑战性。相比之下，ReRAM 的层堆栈要简单得多，需要相对较少的精力来维持良率。此外，MRAM 的读取窗口（开/关比）非常窄，因此很容易因小电阻偏移而发生故障。另一方面，ReRAM 的读取窗口高出一个数量级以上，因此不易受到寄生电阻偏移的影响。”

然而，在一个重要领域，MRAM 处于领先地位，因此 ReRAM 不太可能成为最后一级缓存的合适选择。Yun 表示。

“ReRAM 的典型速度在微秒到数百纳秒范围内，不适合用作末级缓存 (LLC)。至于耐用性，ReRAM 产品的目标通常是 1E5 [100,000 个写入周期] 左右的耐用性，远低于 LLC 要求（1E12 个周期）。由于这些限制，人们对末级缓存的 MRAM 进行了更多讨论。后来被 Dialog Semiconductor（后来又被瑞萨电子收购）收购的 Adesto 展示了高达 10 纳秒的 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 Mbit 的 MRAM，表明速度存在显着差异。”Yun 接着说。

出于这个原因和其他原因，在可预见的未来，NVM 可能会有多种选择。

IBM 的 Ando 表示：“让适合每种应用的 NVM 成为标准，而不是一种适用于所有应用的梦想内存，这是更自然的事情。”“我的期望是，我们会看到针对每个应用程序定制的 NVM，并且这已经在推理和训练中发生了。”

最后，Rambus 的 Bronner 表示，MRAM 和 ReRAM 似乎都作为嵌入式存储器受到关注。“从广义上讲，MRAM 的性能似乎略高，但成本也较高。ReRAM 更便宜，但可能无法满足相同的性能和可靠性。”

每个技术都应该能够找到一个落脚点，这取决于最终客户愿意做出的权衡。

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