RRAM：走向新型嵌入式存儲之路

　　隨著(zhù)電子設備智能化程度的提高，軟件編碼增大，需要加快處理速度才能處理通信協(xié)議、身份驗證、信息生成和歷史積壓數據。我們行業(yè)逐漸開(kāi)始認識到這樣一個(gè)現實(shí) - 當前的內存技術(shù)無(wú)法滿(mǎn)足新一代編碼存儲容量和性能需求，同時(shí)嵌入式軟件編碼也隨之快速增加，由過(guò)去的幾個(gè)千字節到現在的數個(gè)兆字節。

　　據Web-Feet Research等分析公司預測，到2018年，消費類(lèi)電子設備的嵌入式內存市場(chǎng)將突破28.8億美元，現在是我們?yōu)檫@一問(wèn)題想出解決方案的時(shí)候了。如果傳統內存技術(shù)無(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)需求，那么哪種技術(shù)能夠滿(mǎn)足?隨著(zhù)閃存在消費類(lèi)電子產(chǎn)品設計中無(wú)處不在的應用，是否可以考慮替代現有的過(guò)時(shí)技術(shù)?

　　內存困局

　　在設計新微控制器或系統芯片時(shí)，設計人員必須考慮嵌入式內存容量和組織結構，在做出架構決策時(shí)還要考慮集成。但是，下一代系統架構師還必須重新尋找嵌入式內存塊與邏輯處理器集成的方式。

　　如果我們審視一下當前的閃存技術(shù)，信息存儲是基于電荷密度。丟失幾個(gè)電子可能造成嚴重的可靠度問(wèn)題，當達到25nm以下時(shí)，閃存技術(shù)將遭受耐久性、保留度和可靠度的嚴重衰退。

　　為了克服閃存技術(shù)固有的耐久性、保留度和可靠度問(wèn)題，目前的數據存儲系統使用了可管理復雜架構與算法的高端內存控制器芯片，如糾錯碼和DSP算法、耗損平衡、壞塊管理、數據復制、邏輯到物理映射、垃圾收集和DRAM緩沖。盡管需要有這些替代辦法來(lái)支持閃存技術(shù)，但這些復雜的技術(shù)在嵌入式系統架構中轉換并不容易。因此，現在迫切需要可有效替代閃存的新嵌入式內存技術(shù)。

　　嵌入式內存技術(shù)電阻式RAM

　　幸運的是，能夠克服嵌入式閃存技術(shù)自身局限又具有成本優(yōu)勢、低功耗、高性能和小足跡的新型內存技術(shù)已經(jīng)出現。其中最具前景的就是電阻式RAM(RRAM)技術(shù)。

　　典型的RRAM設備由兩個(gè)金屬電極夾一個(gè)薄介電層組成，其中介電層作為離子傳輸和存儲介質(zhì)。選用不同的材料，實(shí)際機制會(huì )有顯著(zhù)差別，但所有RRAM設備間的共同連接是電場(chǎng)或是熱源，它們引起存儲介質(zhì)離子運動(dòng)和局部結構變化，反過(guò)來(lái)又造成設備電阻的顯著(zhù)變化。

　　我們Crossbar 公司團隊開(kāi)發(fā)的一種RRAM采用了常用的非晶膜(如非晶硅(a-Si))作為形成絲狀體的基質(zhì)材料。電阻接通過(guò)程中形成的導電“絲狀體”由離散的金屬顆粒組成，而不是連續的金屬絲刷。這些特性使其具有多種性能優(yōu)勢，有望消除閃存面臨的諸多問(wèn)題。

　　非晶硅與閃存不同，可成功縮小至5nm，而且性能更佳。非晶硅RRAM與傳統的RAM也不同，它的足跡減小，因而成本更經(jīng)濟。RRAM模糊了不同內存類(lèi)型之間的界限，從而簡(jiǎn)化了內存子系統的架構和分層，實(shí)現了成本更低、足跡更小、密度更高、速度更快的內存。

　　在CMOS(互補金屬物半導體)基礎上，RRAM內存可與具體的邏輯功能緊密集成，例如與安全加密算法集成，用于智能卡或生物計量應用。這種集成實(shí)現了大數據分析使用的高性能、大規模并行計算處理系統，將迎來(lái)內存與邏輯系統混合架構的新時(shí)代。

　　在3D架構中，RRAM各分層還可以彼此疊加，從而可以小足跡實(shí)現大內存容量。借助具體的架構技術(shù)，RRAM可以層疊在CMOS邏輯閘上，從而產(chǎn)生超密邏輯+內存系統的解決方案、

　　RRAM技術(shù)具有消費類(lèi)電子產(chǎn)品、家用電器、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )和一次性電子產(chǎn)品所需的成本競爭優(yōu)勢。而且，其經(jīng)過(guò)提升的讀寫(xiě)性能和高能效還有望應用于移動(dòng)設備和可穿戴電子設備上。

　　隨著(zhù)RRAM成為主流，我們將看到由大容量嵌入式內存支持的高智能化系統解決方案，以及可在聯(lián)網(wǎng)設備間實(shí)現新型應用的高效率微控制器。RRAM是未來(lái)的發(fā)展趨勢，也是將最終讓備受推崇的物聯(lián)網(wǎng)成為現實(shí)的力量之一。