为什么ReRAM会成为物联网芯片主流内存解决方案？

物联网应用若要全面普及，势必需要在人类生活环境中部署大规模传感器等基础设施，这些设备若能拥有愈长的电池续航力当属愈好，一来可节省维护成本、二来有助提高物联网基础设施可持续性。

现阶段业界也在寻找可大幅降低物联网设备能源消耗的办法，为此业界发现物联网芯片中内嵌“可变电阻式内存”(ReRAM)，有助达成此一节能目标。

据Embedded Computing Design网站报导，若要达到物联网应用的能源采用要求，需要导入各式节能策略，即使多数物联网设备设计成可休眠或待命的模式，但再怎么说物联网设备仍有一定比例时间在运作，因此如何节能仍是一大技术重点。

其中嵌入式内存在协助物联网芯片节能上便扮演要角，因具备低功耗及低电压操作、单体IC、快速读写时间、非挥发性以及高容量等有助提升物联网设备能源效率的优势。

什么是ReRAM

ReRAM不同于传统Flash内存技术，ReRAM内存是以字节进行寻址，能以小型页(page)进行建构，因此ReRAM能够独立抹除及再写入，能够大幅简化储存控制器的复杂性。

ReRAM储存单元通常在两个金属电极之间部署一个切换材料，当施加电压时该材料能够显现出不同的阻力特性，该切换材料及内存储存单元如何进行组构，就成为决定ReRAM节电性的关键。该切换材料为灯丝奈米粒子(Filamentary nanoparticle)，以及不具导电性的非晶硅(a-Si)这类简易CMOS兼容性材料。

例如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。

在系统层次，若能在SoC中内建储存内存，也有助透过减少或省去对外部内存的近用，在更无需I/O操作下达到节能功效。值得注意的是，ReRAM技术是采用一项基于电场的切换机制，因此可创造高度可靠性及在较广泛不同温度情况下的高稳定表现。

基于ReRAM能够内建于SoC、逻辑芯片、模拟芯片及射频(RF)芯片等各类可能的物联网芯片技术领域，将有助延长物联网芯片续航力达数年都无需更换电池或整颗芯片的程度。除了节能外，ReRAM也具备制程及成本效益、高稳定及可靠性，以及单片IC整合至单芯片物联网系统解决方案的效益及技术优势。

ReRAM目前发展情况

以紫光为代表的中国公司正在斥资数百亿美元投入NAND、DRAM等等存储芯片市场，2018年将推出国产3D NAND闪存，意图实现国家要求的芯片自给率要求。不过在NAND领域，中国公司研发、生产已经晚了20多年，更大的希望还是在在新一代存储技术上。

2016年3月，Crossbar公司宣布与中芯国际达成合作，发力中国市场。其中，中芯国际将采用自家的40nm CMOS试产ReRAM芯片。2017年1月，两者合作的结晶终于诞生，中芯国际正式出样40nm工艺的ReRAM芯片。

另外，按计划更先进的28nm工艺ReRAM芯片也将在2017年上半年问世。

ReRAM战场的另一家技术大牛是Nantero公司，他们的技术基于碳纳米层矩阵。其已经将技术授权给无晶圆厂芯片公司富士通（Fujitsu）半导体，并且交给代工厂Mie Fujitsu半导体用55nm和40nm工艺跟进。

此外，致力于商业化ReRAM的企业包括东芝、Elpida、索尼、松下、美光、海力士、富士通、Crossbar等。

东芝凭借其类似于今天1.5万转硬盘的固态硬盘，开始涉足这些高端市场。这可能不是一个巨大的市场，但是其高利润率还是值得一试的。

其他厂商，包括松下、美光和三星，也正在致力于ReRAM的研发。

其实，美光早在2007年就提出了这种技术，此后几乎每年都会透露一些进展，但就是距离量产遥遥无期。美光是和索尼联合研发ReRAM的，其基本原理和Crossbar RRAM有些类似，同样是非易失性存储，但是更强调电阻可变，同时为了区分，缩写也有所不同。

ReRAM的未来

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？

数据完整性：关键任务应用更喜欢ReRAM，而且关键是买得起；

性能：固态硬盘这种高速存储介质消除了复杂性并提高了性能；

移动性：网络宽带和内存容量之间进行着一场永无止境的拉锯战，在这种情况下，消费者可能会喜欢上他们移动设备的大容量存储。如果是这样， ReRAM节能的优点将在高端产品有所体现。

有鉴于未来几年全球物联网应用可望持续蓬勃起飞，若未来ReRAM技术成为全球物联网芯片主流内存解决方案，将有助除去运算与数据储存之间的界线，有利于以数据为中心的运算架构发展。

（文/刘燚）

今天是《半导体行业观察》为您分享 的2017年第93期内容，欢迎关注。

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