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ReRAM:DRAM和NAND的最强继任者?

2022-06-18
来源:半导体产业纵横
关键词: ReRAM DRAM NAND 人工智能

存储器是半导体产业的重要分支,约占全球半导体市场的四分之一至三分之一。存储器已经形成主要由DRAM与Flash构成的超千亿美元的市场。尽管存储器产品品类众多,但从产品营收贡献的角度来看,DRAM和Flash(NAND、NOR)的营收占比超95%。

DRAM与Flash虽然在存储器领域近乎“绝对垄断”,但是,人工智能、物联网、5G到来,都加速了数字化浪潮来袭。在这个背景下,数据处理的需求量呈指数级上升,半导体从业者纷纷加大对存储技术的研发与投资,想实现成本更低、速度更快、效能更好的存储。

龙头也有短板

存储市场中,最常见且被广泛应用的存储器为DRAM与NAND。近年来随着半导体制程持续朝更小的技术节点迈进,DRAM与NAND严重面临尺寸微缩挑战,DRAM目前已接近微缩极限,而NAND则全力朝3D架构转型。

此外,随着数据量的爆发增长,DRAM及NAND在耗电量及数据访问速度上已无法跟上需求的脚步。他们在需要高速运算的应用场景中也有一些阻碍。

基于这些原因,下一代存储技术为了补位,出现在大家的视野中。

新生代存储:PCRAM、MRAM、ReRAM

经过各个厂商数十年的不懈努力,下一代存储已经出现了几位极具潜力的种子选手:PCRAM、磁阻式内存MRAM、以及电阻式内存ReRAM。这些新兴存储的技术性能也各有差异。

PCRAM(相变随机存储器)

PCRAM是一种利用相变材料作为存储介质,通过相变材料在电流的焦耳热作用下,在结晶相态和非晶相态之间快速并可逆的转换时,会呈现出的不同电阻率这一特性来实现数据存储的技术。

与NAND相比,PCRAM在写入更新代码之前不需要擦除以前的代码或数据,所以在速度方面,比NAND有优势,读写时间较为均衡。然而,PCRAM虽然读写速度比NAND有所提高,但冷却过程会带来更高功耗。其次,为了使相变材料兼容CMOS工艺,PCRAM必须采取多层结构,因此存储密度过低,在容量上无法替代NAND。

PCRAM早已逐渐步入产业化进程。

2006年,英特尔和美光成立IM Flash Technologies,开始合作研发新的存储器技术。2012年,双方开始合作3D XPoint存储项目,3D XPoint技术也是PCRAM的一种。2015年7月,美光和因特尔联合发表了发表双方共同研发的存储器技术:3D XPoint存储器技术。

MARM(磁性随机存储器)

MRAM(磁性随机存储器)靠磁场极化而非电荷来存储数据,存储单元由自由磁层、隧道栅层、固定磁层组成。自由磁层的磁场极化方向可以改变,固定层的磁场方向不变,当自由层与固定层的磁场方向平行时,存储单元呈现低电阻;反之呈高电阻,通过检测存储单元电阻的高低,即可判断所存数据是0还是1。MRAM拥有SRAM的高速读取写入能力,以及DRAM的高集成度,而且基本上可以无限次地重复写入。

MRAM最大的缺点是存储单元之间存在干扰,当对目标位进行编程时,非目标位中的自由层很容易被误编程,尤其是在高密度情况下,相邻单元间的磁场的交叠会愈加严重。

从开始研究到现在,MRAM已经有20多年历史了。

上世纪末,前沿半导体公司已经开始对MRAM的研究。1995年摩托罗拉(其芯片部门后独立成为飞思卡尔半导体,飞思卡尔半导体在2015年被恩智浦收购)演示了第一个MRAM芯片,并生产出了1MB的芯片原型。

20多年来,IBM、TDK、STT、Intel、格芯、ST意法半导体等公司相继入局,都在MRAM的商用产品上有了自己的产品或技术。今年1月份,三星公司成功开发出新的MRAM阵列。

ReRAM(阻变存储器)

ReRAM(阻变存储器,也称忆阻器)是当下最有前景的新型非易失性存储技术之一,其器件结构简单,操作方式简捷,具有尺寸易于缩小,高速度,低功耗,低成本,易与CMOS工艺兼容等诸多特点。

典型的ReRAM由两个金属电极夹一个薄介电层组成,介电层作为离子传输和存储介质。在上下电极间施加电压,中间的阻变层中会形成一条导电通道。通过改变上下电极间的电压来控制导电通道的状态,进而使得存储器件的电阻值发生变化。不同的电阻值代表不同的存储状态,即使去掉电极上的电压信号,电阻值仍然会继续保持,因此可以实现非易失性存储。

ReRAM的单元面积小,读写速度是NAND的1000倍,同时功耗可以降低15倍。

ReRAM工艺也更为简单。以Crossbar为例,Crossbar的ReRAM能够使用标准的CMOS工艺与设备,对产线无污染,整体制造成本低,可以很容易地让半导体代工厂具备ReRAM的生产制造能力,这对于量产和商业化推动有很大优势。

从密度、能效比、成本、工艺制程和良率各方面综合衡量,ReRAM存储器在目前已有的新型存储器中具备明显优势。

多点开花的ReRAM应用领域

ReRAM的优越性能也让其应用也十分广泛。

AIoT:效能与安全是要义

AIoT主要由微型设备组成,供电能力弱且需要数据实时交互,因此不仅要求存储器件低功耗,也需要高速度和低延迟。ReRAM在读写速度和功耗几倍到几百倍的提升,并可实现更高的存储密度。

AIoT的数据要求具备基本的信息安全和隐私保护能力。一些厂商的ReRAM都带有PUF密钥,每颗存储芯片都拥有唯一信任根和唯一主动标识ID,结合通用密码算法,实现数据和程序的防复制和防篡改能力。

人工智能:亟需打破存储墙

人工智能不断发展,对存储和计算提出了更高的要求。目前计算机还是依然延续冯·诺依曼结构,存储单元和计算单元独立分开,

现有冯·诺伊曼计算系统采用存储和运算分离的架构,存在“存储墙”与“功耗墙”瓶颈,严重制约系统算力和能效的提升。“能效比低”已经成为人工智能芯片的瓶颈问题。

ReRAM可以直接在芯片上集成处理逻辑,从而实现全新的以内存为中心的SoC架构。ReRAM的优越特性有助于解决这些算法所需的性能和能源挑战。通过减少存储和计算之间的性能差距。

数据中心:高速计算提出更高要求

DRAM读写速度很快,但是无法下电保存数据,NAND密度高,可以下电保存数据,但是读写速度延迟高。高速计算、5G、万物互联等应用场景正在推动数据中心、智能终端的高速增长和转型,对数据中心和智能终端提出了性能的更高要求。

通过利用ReRAM密度高、能耗低、读写速度快及可下电数据保存的特点,能帮助用户大幅提升数据中心性能,降低能耗,达到运营成本的大幅降低。

国内外厂商的ReRAM布局

ReRAM相比MRAM和PRAM,研究要稍晚。2000年,夏普购买了美国休斯敦大学的相关专利后,才引起学术界和业界的研究。由于ReRAM独特的优势,主流存储器厂商也纷纷投入力量,开始对ReRAM的研究。ReRAM也已经由实验室阶段进入到企业的研发阶段。

松下在2013年开始出货ReRAM,成为了世界第一家出货ReRAM的公司。

2016年11月,富士通半导体开始销售其与Panasonic共同开发的4兆字节(MB)ReRAM芯片。今年4月,富士通推出12Mbit ReRAM MB85AS12MT,这是富士通ReRAM产品系列中密度最大的产品。

ReRAM技术的领导者Crossbar成立于2010年。Crossbar将其技术作为现成的或定制的IP内核授权给SoC和内存公司。Crossbar也在积极发展其生态系统硬件和软件合作伙伴。2021年7月,Crossbar它宣布将其ReRAM设备用于PUF应用。

Intrinsic是伦敦大学学院的一家衍生公司,旨在将新型忆阻ReRAM器件商业化。今年2月份,Intrinsic及其合作伙伴imec已将Intrinsic的ReRAM技术扩展到50nm。

今年3月,Weebit宣布,借助CEA-Leti,将其ReRAM技术缩小到22nm。两家公司正在设计一个完整的IP内存模块,该模块集成了一个针对先进的22nmFD-SOI工艺的多兆位ReRAM块。Weebit也正在迅速加快其开发计划。

实质上,除去专门研究生产ReRAM的存储厂商,还有一些存储厂商采取的是两边下注的策略。因为他们要确保一旦DRAM和NAND不能再满足市场发展需求,必须有一些研究成果可以取而代之。

2016年,西部数据就宣布将在即将推出的专用SSD中使用3D ReRAM,以取代NAND闪存。

国内在ReRAM领域的研究也有了一些成果。

今年2月16日,由昕原半导体主导建设的大陆首条28/22nm ReRAM 12寸中试生产线顺利完成了自主研发设备的装机验收工作,实现了中试线工艺流程的通线,并成功流片。

实际上,昕原半导体专注于ReRAM领域,是一家集核心技术、工艺制程、芯片设计、IP授权和生产服务于一体的新型IDM公司。该公司的核心产品覆盖高工艺嵌入式存储、高密度非易失性存储、存内计算及存内搜索等多个领域。

除了IDM厂商外,代工厂商也积极发展先进技术以配合ReRAM的发展与生产。

2016年,中芯国际与Crossbar签订一份代工协议,基于中芯国际40纳米CMOS制造工艺,为Crossbar生产ReRAM。2017年,中芯国际正式出样40nm工艺的ReRAM芯片。

2021年,台积电40nmReRAM进入量产,28nm和22nmReRAM准备量产。

ReRAM未来前景光明,近几年,也是ReRAM发展最关键的时期。在新兴的存储技术中,ReRAM技术对于降低存储器计算的能耗、提高成本效益至关重要,因而极具发展前景。然而,要想把握这些机会,真正成为DRAM和NAND的继任者,ReRAM还有很长的路要走。




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