關于ReRAM的性能分析和介紹

電阻式隨機存取存儲器（ReRAM）是一種正處于開發階段的下一代內存技術。在經歷了多年的挫折之后，這項技術終于開始受到歡迎了。

富士通和松下正在聯合加大投入開發第二代 ReRAM 器件。此外，Crossbar 正在實驗性地生產一種 40nm ReRAM 技術，目前正由中國的中芯國際（SMIC）的晶圓廠代工生產。臺積電（TSMC）和聯電（UMC）也不甘示弱，最近也已經將 ReRAM 加入了自己的發展路線圖中，并且將在明年左右為自己的客戶開發這項技術。

多年以來，人們一直在吹捧 ReRAM，說它是 NAND 等傳統內存技術的替代者，但 ReRAM 的開發難度比之前任何人預測的都要大。此外，NAND 也比之前所想的發展得更遠，導致很多公司延緩甚至終止了它們的 ReRAM 開發。

并非所有芯片制造商都支持 ReRAM。GlobalFoundries 等一些公司對 ReRAM 技術就較為冷淡，而是正在開發不同類型的下一代內存技術。

與閃存相比，ReRAM 的優勢是讀取延遲更低且寫入速度更快。在傳統內存中，數據以電荷的形式存儲。在 ReRAM 中，會有一個電壓被應用于一種堆疊的材料，進而導致電阻變化，這種變化可以在內存中記錄數據（0 和 1）。

盡管有這些優良屬性，但目前為止出貨 ReRAM 的公司僅有寥寥幾家。其它公司還在攻堅克難，因為 ReRAM 技術在物理方面非常困難。而且在一些案例中，ReRAM 的性能和可靠性也沒有達到人們的期待。

ReRAM 不會取代 NAND 或其它內存，但它會找到自己的位置，尤其是在嵌入式內存應用領域。聯電嵌入式非易失性內存助理副總裁 Yau Kae Sheu 說：“ReRAM 是一種針對成本敏感型應用的解決方案，比如可穿戴和物聯網設備。ReRAM 很適合一些低端的 MCU 和內存密度要求更低的消費級產品。”

但對于未來應用，ReRAM 等一些下一代內存技術的目標是所謂的存儲級內存（storage-class memory）市場。多年以來，內存行業一直在尋找一種新的內存類型，即存儲級內存。這種內存可以用在系統的主內存（DRAM）和儲存器（NAND 閃存）之間，填補這兩者之間日益增大的延遲差距。

ReRAM 的另一個潛在應用是神經形態計算（neuromorphic computing）。神經形態計算使用了腦啟發的計算功能，可用于實現人工智能和機器學習。但是，在 ReRAM 進軍這些市場之前，內存行業必須要先小規模地掌控 ReRAM。

為什么要做下一代內存？

多年以來，內存行業一直都在開發 ReRAM 和其它下一代內存技術。因為傳統內存存在很多限制，新的內存類型有望填補這些空白。

Applied Materials 硅系統組內存和材料總經理 Er-Xuan Ping 說：“他們正在解決 DRAM 和 NAND 的問題。NAND 很慢。DRAM 雖然快，但卻是易失性的。”

DRAM 是易失性的，所以當系統斷電時，它的數據會丟失。閃存在斷電時也能繼續保存數據。但在實際工作中，閃存會經歷多輪讀/寫周期，這個過程很慢。

總的來說，下一代內存類型的特點是快、非易失且能提供無限的耐久性。它們還要能提供位可改寫、免擦除的功能，從而可以作為 DRAM 和閃存的完美替代品。

這些內存技術的問題在于它們依賴于異乎尋常的材料和復雜的開關機制，所以下一代內存類型需要更長的開發時間。與此同時，內存行業還在繼續延展 DRAM 和閃存，讓新內存類型難以在市場上占據一席之地。

但是，現在有好幾種新內存類型都正迎來發展勢頭，其中3D XPoint 和 STT-MRAM 勢頭最盛。另外還有碳納米管 RAM、FRAM 和 ReRAM 等其它一些類型。

沒有任何單一一種內存類型是全能的，能夠處理所有應用。每種技術都有不同的屬性，能夠執行不同的功能。Lam Research 的子部門 Coventor 的首席技術官 David Fried 說：“我預計這些先進內存技術首先會被用于能夠體現和利用它們的特有優勢的應用中。”

由英特爾和美光開發的 3D XPoint 技術是下一代相變內存。而 STT-MRAM 則使用電子自旋的磁性來提供非易失性。

碳納米管 RAM 是使用納米管來形成電阻態。而 FRAM 則是使用鐵電電容器來存儲數據。

ReRAM 與上述方法都不一樣。在多年的開發發展中，ReRAM 在 2008 年曾變得臭名昭著，那時候惠普公司提出了一種被稱為憶阻器（memristor）的 ReRAM。多年以來，惠普一直都在開發一款集成整合了憶阻器的面向未來的系統“The Machine”。但分析人士說，惠普在這項技術上努力多年之后卻轉向了一種更加傳統的內存方案，退出了憶阻器的道路。

現在惠普已經和西部數據開始合作開發另一種 ReRAM 技術了。4DS、Adesto、Crossbar、美光、松下、三星、索尼等公司也在開發 ReRAM。

但是到目前為止，松下是唯一一家量產 ReRAM 的公司。另外，Crossbar 也有望在今年年底之前開始出貨 ReRAM。

其它公司都還在努力開發 ReRAM。“Adesto 一直在緩慢地出貨低密度 CBRAM，他們相信將在 2018 年實現大量出貨。”Web-Feet Research 首席執行官 Alan Niebel 在談到導電橋接 RAM（CBRAM，這是一種 ReRAM）時說道，“西部數據和惠普已經陷入困境，但可能能在 2019 年出貨。”

與此同時，索尼正在調整自己的 ReRAM 的開發工作。多年來，索尼和美光一直都在合作開發 ReRAM，但美光最近退出了該項目。轉而開始與英特爾合作重點開發 3D XPoint，留下了沒有晶圓廠合作伙伴的索尼獨自開發 ReRAM。

在代工廠方面，中芯國際、臺積電、聯電等都正在為代工客戶開發和/或提供 ReRAM 工藝。但 GlobalFoundries 和三星這兩家到目前為止都還沒有推出 ReRAM。

晶圓代工廠正在探索所有下一代內存類型，但它們的重點還是那些長期看來更有可能成功的技術。GlobalFoundries 嵌入式內存副總裁 Dave Eggleston 說：“投資這些技術的成本很高，行業只能投資這么多。”

例如，GlobalFoundries 側重的技術是 STT-MRAM。三星、臺積電和聯電也正在為代工客戶開發 STT-MRAM。 Eggleston說：“在所有這些技術中，最具商業潛力的技術絕對是 MRAM。嵌入式 MRAM 正處于最前沿的位置。如果能獲得投資，其它一些技術得到應用的難度將越來越大。”

ReRAM 有一些優勢，但仍然面臨著嚴峻的挑戰。他補充說：“在采用方面，ReRAM 事實上有點讓人失望。”

ReRAM 是什么？

ReRAM 也是一種難以掌握的技術，但對晶圓廠的生產來說，它是一種相對簡單直接的工藝。ReRAM 和 STT-MRAM 都只需要少量幾個掩模步驟而且可在晶圓廠中所謂的生產線后道工序（BEOL）制造生成。而且 STT-MRAM 和 ReRAM 都構建在芯片的金屬層的觸點或通孔之上。

制造 ReRAM 是一回事，但要使其工作又是另一回事。一般來說，ReRAM 有兩種主要類型——氧空缺（oxygen-vacancy）ReRAM 和 CBRAM。氧空缺 ReRAM 也被稱為基于氧化物的 ReRAM（oxide-based ReRAM），簡稱 OxRAM。

OxRAM 和 CBRAM 都是二端器件——由一個頂部電極和一個底部電極組成。在兩個電極之間是開關介質。

圖 1：Filamentary ReRAM 技術，來自 Crossbar

在 OxRAM 中，兩個電極之間夾著一種金屬氧化物材料。當將正電壓施加到頂部電極上時，在兩個電極之間會形成導電細絲。這些細絲由離子原子組成。

當將負電壓施加到底部電極上時，這些導電細絲會斷裂。從而在效果上實現了 ReRAM 在高低電阻之間的切換。在內存中，電阻的變化就表示成 0 和 1。

圖 2：工作中的 ReRAM，來自 Adesto

和 OxRAM 類似，CBRAM 也是通過構建和摧毀細絲來創造電阻狀態。但 CBRAM 是將銅或銀金屬注入到硅中，從而在兩個電極之間形成導電橋或細絲。

其他也有一些人在研究非細絲的方法。與形成細絲不同，這種技術是使用自整流技術來形成開關效應。有的人將這種技術歸類為 OxRAM。

不管怎樣，ReRAM 技術都很艱難。Lam Research 副總裁 Thorsten Lill 表示：“如果能開發出來，ReRAM 確實能帶來讀/寫延遲方面的改善，但它卻有可靠性方面的限制。它的單元開關幾萬次之后性質就會改變。這似乎與構建細絲的物理化學效應有關。我們對此知之甚少。”

DRAM 和閃存處理的是電子。而 OxRAM 和CBRAM 則涉及控制離子原子形成細絲的復雜過程。電子更輕，而原子更重。

“ReRAM 在紙面上看起來很簡單，但實際情況卻并非如此。”Applied 的 Ping 說，“當你讓離子在材料之中移動時，不只會形成電流，而且還有響應它的電場。其互擴散、溫度行為和電行為全都要一起考慮。這必然涉及到處理很多自然參數。所以非常復雜。”

Ping 繼續說：“比如，當你向任何一種 ReRAM 輸入一個電脈沖時，都會出現 RC 相互作用。根據 RC 相互作用的不同，局部產生的熱也有所不同而且不會保持不變。如果這有所不同，那氧的擴散速度也會不同。這是一個困境。一方面，電子可能太輕了。然后會導致很高的噪聲。另一方面，原子又太重了。這不是簡單用電就能解決的。”