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ReRAM是中国存储器产业的机遇?
2017年10月26日 14:05 标牌产业网

    今年年初,专注于ReRAM技术的Crossbar公司宣布与中芯国际合作开发的40nm工艺的ReRAM(非易失性阻变式存储器)芯片正式出样。

    目前,在ROM存储领域,NAND闪存无疑是绝对的主流。

    保守点说,3、5年内它都会是电子设备存储芯片的主流选择,但研究人员早就开始探索新一代非易失性存储芯片了,Intel与美光联合研发的3D XPoint,是基于PCM相变存储技术,也被称为是新一代存储芯片,而ReRAM更是颇具代表性的新型非易失性存储器。

    Crossbar半导体战略市场营销及业务拓展副总裁Sylvain Dubois

    “ReRAM技术的原理与传统的Flash有很大的不同,这使得ReRAM能够实现非易失性的信息存储。”Crossbar半导体战略市场营销及业务拓展副总裁Sylvain Dubois在最近举行的2017中芯国际技术研讨会上接受采访时表示。

    为什么这么说呢?这就不得不提到ReRAM的原理。

  ReRAM是什么?

    虽然ReRAM的名字中带RAM,但其实是像NAND闪存那样用作数据存储的ROM,只不过它的性能更强,据说,其密度比DRAM内存高40倍,读取速度快100倍,写入速度快1000倍。ReRAM单芯片(200mm2左右)即可实现TB级存储,还具备结构简单、易于制造等优点。

    ReRAM基于忆阻器原理,将DRAM的读写速度与SSD的非易失性结合于一身。换句话说,关闭电源后存储器仍能记住数据。如果ReRAM有足够大的空间,一台配备ReRAM的PC将不需要载入时间。

    为了实现非易失性的信息存储,ReRAM采用了与传统存储技术完全不同的原理。

    具体来说就是“ReRAM技术利用了金属的电阻特性,通过在材料中形成导电细丝的方式,不断改变材质的复位,实现高阻和低阻两种状态,从而实现信息的存储。”Sylvain Dubois 表示。

    而传统的Flash存储技术则是通过测量电子通过的数量,来判断存储的形态和信息,这样的存储技术会带来一个非常明显的问题。

    Sylvain Dubois 解释道:“Flash存储技术随着工艺的演进会越来越困难。”

    既然Flash存储技术需要测量电子的数量,那么虽然工艺的演进,存储介质中能够存储的电子的数量越来越少,即便电子体积很小,存储的数量也非常有限,更不要说去根据电子的数量来测量和判断存储的状态和信息了。在工艺逐渐发展的今天,自然而然的会遇到难以逾越的障碍。

  初生牛犊不怕虎的Crossbar

    而Crossbar又是如何克服这一困难的呢?

    其实,Crossbar是一家成立时间并不长的初创公司,虽然与其他的存储器厂商相比体量很小,成立时间不长,但是其技术却不容小觑。

    Crossbar技术首先由中国出生的卢伟(Dr. Wei D. Lu)博士研发,他也是Crossbar的首席科学家和联合创始人。

    卢博士在RRAM领域积累了十二年的研究经验,他先作为哈佛大学的博士后研究员,然后被任命为密歇根大学教授从事这项研究。他是纳米结构和设备行业的领先专家,包括基于双端电阻开关设备的高密度内存和逻辑系统、神经元电路、半导体纳米线设备和低维系统中的电子输运。

    据了解,Crossbar ReRAM技术,是基于采用对CMOS友善的材料及标准CMOS制程的简易两个终端设备结构所开发,能够轻易与CMOS逻辑电路进行整合,且能够以现有CMOS厂房生产,无需采特殊的设备或材料。

    借助低温BEOL制程,可将多层ReRAM数组整合至CMOS晶圆之上,用以打造系统单芯片(SoC)及其他拥有大量3D单片内嵌式RRAM储存的芯片产品。因此相较于传统Flash内存,ReRAM具备节能、延长寿命及读写延迟等显著优势。

    在程序化效能及功耗表现上,ReRAM每储存单位程序化能耗为64皮焦耳(pJ),比传统NAND Flash表现好上2成以上。另外更低且更可预测的读写延迟,也有助借助缩短编码获取或数据串流的时间,达到减少能耗的效果。

    其实,早在2014年12月,Corssbar就表示其已经解决了一项影响到单元内容可读性的电流路径难题。2015年9月,该公司在D轮融资中筹得3500万美元,主要用于该项技术的商业化。而2014年的C轮融资亦有2500万美元进账。

    而现在,随着与中芯国际合作的不断深化,这一技术也已经成为可能。

    Sylvain Dubois表示,大概会在明年上半年ReRAM能够实现大规模的量产。

  ReRAM能否改变应用市场

    从之前的描述中,我们不难看到,与NAND闪存相比,ReRAM具备诸多优点,具体如下:

    首先,ReRAM写速度更快,以纳秒为单位而不是毫秒,这使它更适应于高性能应用。

    其次,研究人员已经证明,微安培写入功率并期望很快将进一步降低到纳安范围,这使得ReRAM比NAND闪存能效更高。

    第三,最常见的MLC闪存只能处理10000次写操作,而ReRAM却可以处理数百万个。

    在可预见的未来,NAND闪存将保留在成本和密度上的优势,这意味着它仍将在未来几十年存活下去。那么ReRAM在存储应用中要如何定位呢?

    以目前比较火热的人工智能为例:

    在Sylvain Dubois 看来,应用ReRAM这样新的存储技术,能够发挥人工智能真实的潜能,实现速度、低功耗/高能效、存储容量与可制造性的完美结合。

    在人工智能竞赛中的胜出者需要做四件事:1、访问大量的数据;2、访问正确的数据;3、把数据变为具有可行动性的洞察力的强大算法;4、超越竞争对手的速度和规模。今天,通过训练人工智能算法与创建新的应用,数据有机会成为利润中心。更多的数据训练,就会让人工智能算法更聪明。

    而ReRAM存储技术能够直接集成在芯片内部,产生一个新的以存储为中心的片上系统架构。通过与处理器核集成在同一颗芯片中的片上系统方案,ReRAM充分地加速了深度神经网络算法。ReRAM技术是一个重要的创新,它加速人工智能的潜能,实现多种应用,加速性能,极大地提高能效,实现更高级的安全性,减少芯片的数量和芯片的面积。

    高性能计算,比如人工智能,需要在处理器、存储与输入输出之间进行高带宽、低时延的数据访问。ReRAM存储技术通过减少计算与存储之间的性能差距,可显著提升高性能计算应用的性能。

  ReRAM或许是中国存储的机遇

    现在谁在ReRAM进入量产阶段,中国在这一新技术领或许能够实现中国存储器产业的发展机遇。

    因为,首先中国作为最大的全球半导体消费市场,每年消耗的半导体材料数量难以想象,对于新技术的需求也十分强烈,同时中国的应用市场发展也远超世界其他国家,这些都刺激着中国市场急需新的技术来填充。

    其次,目前中国在存储器产业方面依旧落后于其他国家,在旧的领域实现追赶很难,但是在新的技术上,各国都还处在同一个起跑线上,谁能够抓住未来的发展机遇,谁就能够把握住未来。

    此外,发展ReRAM并不会延缓中国发展NAND等其他存储技术的步伐,因为在Sylvain Dubois看来,生产ReRAM并不需要Foundry厂商增加过多的额外投入,其主要步骤和技术都是通过后端工序来实现的,甚至于在工艺步骤方面,ReRAM只需要八步,比NAND和Flash都要简单。

    可以说,这样的工艺优势不仅能够推动中国存储器的发展,也能够推动ReRAM技术的发展,可以说是双赢的!

    “目前最大的问题就是如何说服厂商采用这一技术,我们将会采用IP授权的方式来吸引厂商。”Sylvain Dubois强调,“现在ReRAM已经实现了量产,在未来几年,我们将会逐渐替代现有的3D NAND技术,相信这一天并不会太远!”

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