ReRAM将替代NOR Flash？

随着对更快、更便宜的非易失性存储器替代品的需求持续增长，尤其是在汽车等应用中，电阻式RAM（ReRAM）再次受到关注。

嵌入式闪存长期以来一直让设计者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28nm，另一个问题出现了。以这些尺寸制造闪存可能需要十几个掩模，这增加了成本。除此之外，闪存在前端需要较高的功耗和相对较高的电压。

这正是潜在竞争对手看到潜在机会的地方，他们正在尝试采用ReRAM。ReRAM支持者的一个关键论点是，一些新的应用程序要求更高的性能，而仅仅通过扩展闪存已经无法实现速度的提高。

在参与者根深蒂固的存储器市场，通常对新来者和新技术来说很难打入，部分原因是很难在成本基础上与晶圆厂和设备已经大多完成折旧的芯片制造商竞争，部分原因也是随着时间的推移，现有技术已被证明运行良好。除此之外，在不止一个参与者的市场中，相关公司都在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，它很可能会在高端的NOR Flash市场有一席之地，因为那里有新的机会和更高的产品单价，而不是在NOR Flash可能仍然可行的主流市场。

在许多汽车应用中尤其如此，因为成本是一个关键因素。“一辆典型的汽车大约有20个闪存。”华邦电子营销副总裁Jackson Huang说：“一辆车的6到8个摄像头都有闪存。仪表盘也使用闪存，信息娱乐系统也使用闪存。MCU内置了一定数量的闪存。但真正推动这个市场的是，在过去几年里，随着OTA(over-the-air)images的出现，闪存的使用量显著增加，无论是密度还是单位出货量。

Synopsys EDA集团应用工程总监Xi-WeiLin也认为未来会有多种选择。“ReRAM可以用作物联网设备的嵌入式存储器，也可以用作MCU中的独立单元，”他说。“ReRAM不受磁攻击，因此它可能对特殊环境中的应用程序或独特的安全需求有用。NVM将继续是特定应用程序的选择，具体取决于性能、功率、可靠性、密度、形状因素和成本。总有权衡，在我看来，没有一种一刀切的解决方案。”

市场调查也支持这些结论。根据Business market Insights的数据，NOR Flash市场正以14%的复合年增长率增长，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 Flash，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芯片，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：“下一代持久存储器和传统NOR Flash有很多好处，但它们的续航能力低，写入性能差。” “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设计者要么直接从这些存储器中读取/写入，要么在缓冲ReRAM中添加一个大型SRAM存储器，从而避免在性能和功率方面付出沉重代价。”

ReRAM曾在惠普的放弃下受到了打击，但近年来已经成熟。现有的存储企业和一些初创企业研究出了产生一致结果所需的棘手材料科学，在学术和企业研究实验室，ReRAM已成为神经形态人工智能应用的首选存储器，去年加州大学圣迭戈分校和斯坦福大学的学术合作伙伴创建的NeuRRAM芯片就证明了这一点。

伦敦大学学院教授、ReRAM初创公司Intrinsic的首席技术官Tony Kenyon反思了解决稳定性等根本挑战的努力。“早在七、八年前，就有很多论文发表，研究小组要么在氧化物元素周期表中进行研究，要么在氧化物中掺杂不同的元素，尝试一些设备，然后进入下一个设备。”

在其中一项努力中，IBM选择了基于二氧化铪（HfO2）的ReRAM，因为它之前通过在逻辑晶体管的氧化铪方面的开创性工作而熟悉这种材料。IBM现在正在对其进行调整，以满足深度学习的要求。

Intristic选择使用氧化硅。“我们可以用氧化物做一些更有趣的事情，”Kenyon解释道。“我们可以采用一种名义上非常绝缘的材料，一种非常好的电介质，通过以特定的方式构建氧化物，而不是制造已经使用了几十年的非常无缺陷的均匀、平坦界面的化学计量氧化物，但以一种稍微不同的方式对其进行设计，我们可以采用这种材料并使其可切换states、高电阻状态和低电阻状态。根据我们对设备的编程和创建方式，它也可能是更多的状态，从某种意义上说，甚至是电阻的模拟变化，但对于存储器设备，对于ReRAM存储器设备，两种状态是一个很好的起点。”

潜在的eFlash替代品

ReRAM现在是取代高端嵌入式闪存（eFlash）的主要竞争者之一，尽管不太可能替代NAND Flash。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，嵌入大多数SoC的NOR Flash将几乎完全被MRAM、ReRAM、FRAM或PCM所取代，这也将有助于推动独立新存储器芯片的成功。”

Rambus Labs高级副总裁Gary Bronner表示，“与嵌入式闪存相比，ReRAM与CMOS工艺集成所需的掩模数量更少，可扩展到更小的节点，并且是字节可寻址的。传统NAND Flash的主要指标是比特成本，这方面ReRAM没有竞争力。”

ReRAM获得吸引力的另一个例子是Weebit Nano的ReRAM现在已经完全合格，可以使用SkyWater Technology的130nm CMOS工艺。

此外，台积电和英飞凌多年来一直合作开发ReRAM（也称为RRAM），现在将其纳入汽车微控制器中。

英飞凌负责营销和应用的副总裁Sandeep Krishnegowda表示：“几年前，随着我们向高级工艺节点迈进，我们决定RRAM是嵌入式存储器的正确选择。”。“这是一种低功耗技术。它是字节可寻址的，所以与闪存不同，你可以直接写入。续航能力和保持性能与闪存兼容，而且成本更低。我们与台积电合作开发RRAM的技术和算法已经十多年了。我们最初在一些芯片卡中使用RRAM，这些卡可以用于无现金支付和安全身份验证。在控制器和MCU的消费类工业市场中，我们使用这种存储器作为嵌入式闪存的替代品。最近，我们将其引入汽车领域。”

对于芯片卡，ReRAM的另一个优点是它对电磁耐受性高的辐射免疫。Krishnegowda指出：“如果你想一想支付卡以及每个人都想如何提取信息，你就会希望你的记忆力非常强大。”

此外，ReRAM不存在泄漏问题，Kenyon说。

ReRAM基础知识

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，而不是充电。

Intrinsic首席执行官Mark Dickinson解释道：“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，并且可以重新设置。”。

ReRAM操作的核心是导电细丝，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，在两个电极之间形成导电细丝。细丝由氧空位组成。当在底部电极上施加负电压时，导电细丝断裂。实际上，ReRAM在高电阻状态和低电阻状态之间切换。电阻的变化由存储器中的“0”和“1”表示。

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

图1:ReRAM的工作原理。来源：Adesto Technologies

大多数商业行业的工作，如台积电与英飞凌的合作，现在都以OxRAM为中心。

Weebit Nano负责研发的副总裁Ilan Sever表示：“两者都被称为电阻RAM，因为两者都在改变某些存储元件的电阻，但在物理和化学方面，它们有很大的不同。”。“在氧空位中，我们在电阻层上施加不同的电压，然后根据施加的电压产生或溶解导电细丝。这样，我们可以将电池重置——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进一步解释道，“我们正在改变氧化物中的一些东西，我们正在创建一个连接两个电极之间间隙的细丝。这些设备是非常简单的电容型结构，只有一层氧化物，上面有一个电极。我们可以创建一个导电的细丝，连接两个电池。这个细丝由氧空位组成。所以我们实际上是在移动一些氧。”在氧化物中形成细丝，然后将我们从原始的、真正的高电阻状态带到低电阻状态。当我们反转极性时，我们将氧气移回另一个方向，并重新氧化细丝的一小部分，而不是全部，然后我们可以在低电阻和高电阻状态之间来回移动很多次。”

图2:ReRAM电阻。来源：Weebit Nano

ReRAM的缺点

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，它比其他材料选项噪音更大。”。“在氧化物ReRAM中，我们以随机的方式移动氧空位。在CBRAM中，人们以随机的形式使用阳离子。设备的操作存在一些随机性，这伴随着高噪声，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大。”

不应低估这种噪音的影响。Synopsys的Lin说：“ReRAM最大的问题是它在单个细胞水平上的内在可变性（噪音）。”。“从一个开关周期到另一个开关循环的电阻变化可能与细胞群体的电阻变化一样大。对于基于丝状开关的ReRAM，如OxRAM和CBRAM，电阻值由在高电场和/或高局部温度下在灯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可以产生很大的不同。所以噪音是内在的。增加开关电流可以在一定程度上缓解可变性，但要以功耗为代价。”

内在的Kenyon淡化了这种影响。他说：“传统的行业观点是，ReRAM存在可变性问题，因为它只是制造这些细丝的过程中固有的，你对此无能为力。”。“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的Totem产品经理Takeo Tomine也指出，热是ReRAM的一个问题。“通常，对于低于7nm的先进技术节点，当电源电压（Vdd）一直是恒定的——导致更高的功率密度和更大的金属密度，从而产生更多的热量。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，自发热变得最严重。对于ReRAM，温度变化会降低Ron/Roff比，这对包括AI处理在内的许多应用程序的准确性和可靠性不利。谨慎的热管理是必须的，尤其是在不同设备功耗不均衡的设计中。然后，必须对产生的热量向附近层和设备的传播进行建模，以捕捉整个芯片的热量随时间的变化。”

Xi-Wei Lin充道：“ReRAM技术面临的一个主要挑战是缺乏多物理（即电热化学问题）的定量物理模型。经验模型确实存在，但缺乏基本物理。没有好的模型，很难控制或优化制造过程。”

结论

ReRAM的竞争对手不会不战而退。Numen的Guedj说：“ReRAM类型的技术写入时间相当慢，大约在20000到30000纳秒之间。SRAM大约是1或2纳秒。”他声称，Numen的最新技术可以将ReRAM写入时间减少100倍，或者，Numen公司的MRAM可以将其进一步减少到50纳秒左右，尽管MRAM的挑战是更高的处理成本。“需要更多的技术进步。Flash不能缩小规模。对于MRAM来说，挑战在于降低加工成本，这可能会随着时间的推移而发生。大多数大型铸造厂都会保留自己的选择，双方都尝试，并对冲赌注。”

其他人则认为ReRAM将获胜。西门子EDA的内存技术专家Jongsin Yun说：“与MRAM相比，ReRAM提供了两个主要优势——过程简单和更宽的读取窗口。”“MRAM需要10层以上的堆叠，所有这些都需要非常精确地控制才能形成匹配的结晶蛋白。这对保持高产量来说是一项挑战。相比之下，ReRAM的堆叠要简单得多，保持产量所需的努力相对较少。此外，MRAM的读取窗口非常窄（开/关比），使其非常容易因小电阻偏移而失效。另一方面，ReRAM有一个更高阶的读取窗口，使其不太容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不太可能是最后一级缓存的合适选择。Jongsin Yun说：“ReRAM的典型速度在微秒到数百纳秒之间，不适合用作最后一级缓存（LLC）。至于续航能力，ReRAM产品的续航能力通常在1E5（100000个写周期）左右，远低于LLC的要求（1E12个周期）由于这些限制，关于最后一级缓存的MRAM还有更多的讨论。Adesto后来被Dialog Semiconductor收购（后来被瑞萨收购），展示了高达10ns的ReRAM写入速度。相比之下，IBM和三星的联合小组以250ps的速度展示了MRAM的Mbit，这表明速度存在显著差异。”

出于这个和其他原因，在可预见的未来，NVM可能会有几种选择。

IBM的Ando说：“更自然的是，让适合每个应用程序的NVM成为标准，而不是一个适用于所有应用程序的梦想存储器。” “我的期望是，我们可以看到为每个应用程序定制的NVM，这已经在进行推理和训练。”

最后，Rambus的Bronner说，MRAM和ReRAM作为嵌入式存储器似乎都越来越受欢迎。“总的来说，MRAM的性能似乎略高，但成本也更高。ReRAM更便宜，但可能无法达到相同的性能和可靠性。 每个人都应该能够找到一个家，这取决于最终客户愿意做出的权衡。”

编译：芯智讯-林子 来源：semiengineering.com