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隨著對更快、更便宜的非易失性存儲器替代品的需求持續增長，電阻式RAM正重新受到關注，尤其是在汽車等應用中。
嵌入式閃存長期以來一直讓設計人員希望更高的寫入速度和更低的能耗，但隨著該技術的領先優勢縮小到28納米，另一個問題出現了。制造這樣尺寸的閃存可能需要十幾個掩模，這增加了成本。除此之外，閃存要求前端有較高的熱預算和相對較高的電壓。
這是潛在競爭對手看到潛在機會的地方，他們正在利用這個機會ReRAM。ReRAM支持者的一個關鍵論點是，一些新應用要求更高的性能，而僅僅通過擴展閃存已無法實現更高的速度。
對于新來者和新技術來說，傳統上存在根深蒂固參與者的存儲器市場很難打破，部分原因是很難在成本基礎上與已經完全折舊其晶圓廠和設備的芯片制造商競爭，部分原因是現有技術已經被證明隨著時間的推移效果良好。最重要的是，在不止一個參與者的市場中，公司不斷創新以保持競爭力。因此，如果這些其他技術能夠獲得穩固的立足點，它可能會在NOR閃存市場的高端，那里有新的機會和更高的ASP，而不是在NOR可能仍然可行的主流市場。
在許多汽車應用中尤其如此，因為成本是一個關鍵因素。“一輛典型的汽車大約有20個閃光燈，”谷歌營銷副總裁杰克遜·黃說華邦。“一輛車6到8個攝像頭都有閃光燈。儀表組使用閃光燈，信息娛樂系統也是如此。并且MCU帶有一些內置的閃存。但真正推動這一市場的是，在過去幾年中，隨著無線圖像的出現，閃存的使用量顯著增加，無論是密度還是單位出貨量。通常最少有2幅圖像，通常是3幅。你有一個默認的圖像，以防出現問題，你有當前運行的圖像，你有以前的圖像。”
Xi-林煒，應用工程總監，電子設計自動化集團新思科技同樣也看到了一個多種選擇的未來。“ReRAM可以用作物聯網設備的嵌入式存儲器或MCU中的獨立單元，”他說。ReRAM不受磁攻擊的影響，因此它可能對特殊環境中的應用或獨特的安全需求有用。NVM將繼續成為特定應用的選擇，這取決于性能、功率、可靠性、密度、外形和成本。在我看來，總是要做出權衡，沒有放之四海而皆準的解決方案。”
市場研究支持這些結論。根據Business Market Insights的數據，NOR市場正以14%的CAGR增長，預計到2028年將達到16.4億美元。與此同時，根據Data Bridge Market Research的數據，ReRAM的價值將在未來幾年超過NOR，CAGR增長率為17.2%，預計到2030年將達到21.6億美元。公司仍然看好所有這些記憶，特別是考慮到異構集成和快速增長的數據量。
Numen首席執行官Jack Guedj表示：“下一代永久存儲器和傳統NOR閃存有許多好處，但它們的耐用性低，寫入性能差。“對于某些應用程序來說，讀取性能太慢，而活動讀取功率太高。這意味著SoC設計人員要么直接從這些存儲器中讀取/寫入，要么添加一個大SRAM存儲器來緩沖電阻RAM，從而在性能和功耗方面付出沉重代價。”
ReRAM在惠普放棄努力的情況下受到了打擊，近年來已經成熟。現任者和初創企業研究出了產生一致結果所需的棘手的材料科學，在學術和企業研究實驗室中，ReRAM已經成為神經形態人工智能應用的首選存儲器，正如去年由UCSD和斯坦福大學的學術合作伙伴創建的NeuRRAM芯片所展示的那樣。
UCL大學教授兼ReRAM start-up Intrinsic首席技術官托尼·凱尼恩（Tony Kenyon）對解決穩定性等根本性挑戰的努力進行了反思。“過去七八年里，有很多論文發表，當時一些小組要么在研究氧化物周期表，要么在氧化物中摻入不同的元素，嘗試了一些設備，然后繼續研究下一個設備。”
在這些努力中，IBM選擇了基于二氧化鉿（HfO2）因為它以前通過對用于邏輯晶體管的氧化鉿的開創性工作而熟悉該材料。IBM現在正在調整它，以滿足深度學習的要求。
Intrinsic選擇了氧化硅。“我們可以用氧化物做一些更有趣的事情，”凱尼恩解釋道。“我們可以采用名義上非常絕緣的材料，非常好的電介質，通過以特定的方式構造氧化物，而不是制造已經使用了幾十年的非常無缺陷的均勻、平坦界面化學計量氧化物，而是以稍微不同的方式設計它，我們可以采用這種材料并使其可切換。我們可以在兩種截然不同的狀態之間改變電阻，即高阻態和低阻態。取決于我們如何編程和創建器件，它還可以有更多的狀態，在某種意義上，甚至是電阻的模擬變化，但對于存儲器件，對于ReRAM存儲器件，兩個狀態是一個很好的起點。”
潛在的電子閃存替換
ReRAM現在是替代高端嵌入式閃存（eFlash）產品線的主要競爭者之一，盡管不太可能是NAND閃存。正如Objective Analysis在其2023年新興存儲器報告中所寫的那樣，“隨著時間的推移，大多數SOC中嵌入的NOR將幾乎完全被MRAM、ReRAM、FRAM或PCM所取代，這也將有助于推動獨立新內存芯片的成功。”
的高級副總裁加里·布朗納說Rambus實驗室，“與嵌入式閃存相比，ReRAM需要較少數量的掩模來與CMOS工藝集成，可擴展至較小的節點，并且是字節可尋址的。傳統NAND閃存的主要指標是每位成本，ReRAM沒有競爭力。”
ReRAM獲得關注的另一個例子是Weebit Nano的ReRAM現在完全合格，可用于SkyWater Technology的130納米CMOS工藝。
此外，臺積電和英飛凌聯合開發ReRAM（也稱為RRAM）多年，現在將其集成到汽車微控制器中。
“幾年前，當我們向高級工藝節點發展時，我們認為RRAM是嵌入式存儲器的正確選擇，”的營銷和應用副總裁Sandeep Krishnegowda說英飛凌（公司名稱）。“這是一項低功耗技術。它是字節可尋址的，因此與閃存不同，您可以直接寫入。耐用性和保持性能與閃存兼容，并且成本更低。十多年來，我們一直與臺積電合作開發制造RRAM的技術和算法。我們開始在一些芯片卡中使用RRAM，這種卡用于無現金支付和安全認證。在控制器和MCU的消費工業市場，我們使用這種存儲器作為嵌入式閃存的替代品。最近，我們將其引入汽車行業。”
對于芯片卡，ReRAM還有另一個優點，就是抗輻射，電磁耐受性高。“如果你想到支付卡和每個人都想提取信息，你會希望你的記憶非常強大，”Krishnegowda指出。
此外，因為ReRAM不是基于電荷的，所以不存在漏電問題，Kenyon說。
ReRAM基礎
盡管ReRAM中的材料科學極其復雜，但基礎理論相對簡單。ReRAM不使用電荷，而是使用電阻作為開關的基礎。
“基本上，它是一個可變電阻的電阻器，可以通過施加特定的電壓來改變電阻，并且可以重置和再次設置，”Intrinsic的首席執行官Mark Dickinson解釋說。
ReRAM操作的核心是導電細絲，它們通過兩種不同的方法形成和分離。在OxRAM中，金屬氧化物材料夾在兩個電極之間。當在頂部電極上施加正電壓時，在兩個電極之間形成導電細絲。燈絲由氧空位組成。當在底部電極上施加負電壓時，導電細絲斷裂。實際上，ReRAM在高阻態和低阻態之間切換。電阻的變化在存儲器中用“0”和“1”來表示。
然而，在CBRAM，銅或銀金屬被注入硅中，在兩個電極之間形成導電橋或細絲。
大多數商業工作，如臺積電-英飛凌合作，現在都集中在OxRAM上。
Weebit Nano研發副總裁Ilan Sever表示：“兩者都被稱為電阻式RAM，因為它們都在改變一些存儲元件的電阻，但在物理和化學方面，它們有著本質的不同。“在氧空位中，我們在電阻層上施加相反方向的不同電壓，然后根據我們施加的電壓產生或溶解導電細絲。這樣，我們可以將細胞復位，也就是說，我們溶解燈絲，它不再導電，電阻很高。我們稱之為零狀態或重置。”
Intrinsic的Kenyon進一步解釋說：“我們正在改變氧化物中的一些東西，我們正在創造一種燈絲，在兩個電極之間架起橋梁。這些設備實際上是簡單的電容型結構，只有一層氧化物，頂部有一個電極。我們可以制造一種導電的細絲來連接兩個電極。那根燈絲是由氧空位組成的。因此，我們實際上是在氧化物中移動一些氧，產生一個細絲，然后這將我們從原始的、真正的高阻態帶到低阻態。當我們反轉極性時，我們將氧移回另一個方向，并重新氧化細絲的一小部分，而不是全部，然后我們可以在低電阻和高電阻狀態之間來回多次。”
圖2： ReRAM電阻。來源：威比特納米
ReRAM缺點
像所有的內存技術一樣，ReRAM也有它的弱點。
IBM首席研究科學家Takashi Ando說：“ReRAM面臨的根本挑戰是它比其他材料的噪音更大。”“在氧化物ReRAM中，我們以隨機的方式移動氧空位。在CBRAM，我們隨機使用陽離子。設備的運行存在一些隨機性，這伴隨著高噪聲，因此內在噪聲水平是最大的挑戰，但與MRAM或其他存儲器相比，對外部刺激的免疫力更強。”
不應低估這種噪音的影響。“ReRAM的最大問題是其在單細胞水平上的內在可變性（噪聲），”Synopsys的Lin說。從一個開關周期到另一個開關周期的電阻變化可能與一個單元群體的電阻變化一樣大。對于基于細絲開關的ReRAM，例如OxRAM和CBRAM，電阻值由在高電場和/或高局部溫度下在細絲尖端周圍移動的少量氧空位或金屬原子控制。這個過程本質上是隨機的，幾個原子或空位就能產生很大的影響。所以噪聲是固有的。增加開關電流可能會在一定程度上減輕可變性，但代價是功耗。”
Intrinsic的凱尼恩淡化了這種影響。“傳統的行業觀點一直認為ReRAM存在可變性問題，因為這是制造這些細絲過程中固有的，你對此無能為力，”他說。“但這確實涉及到材料工程問題。我們已經證明，通過以正確的方式設計材料，您可以減少編程電壓的可變性，例如，從高阻態到低阻態所需的不同電壓的分布。”
Takeo Tomine，圖騰產品經理Ansys，還指出熱是ReRAM的一個問題。“通常，對于低于7納米的先進技術節點，在電源電壓（Vdd）不變的情況下，器件尺寸會縮小，導致功率密度和金屬密度更高，從而產生更多熱量。自熱效應是影響ReRAM可靠性和準確性的關鍵因素。在晶體管器件中熱量被捕獲的地方，自加熱變得最嚴重。對于ReRAM，溫度變化會降低R在/R離開比率，這對包括人工智能處理在內的許多應用程序的準確性和可靠性都是不利的。仔細的熱管理是必須的，尤其是在不同器件功耗不均衡的設計中。然后，必須對這種產生的熱量向附近層和器件的擴散進行建模，以捕捉整個芯片隨時間演變的熱量情況。“
林最后補充道，“ReRAM技術的一個主要挑戰是缺乏多物理（即電熱化學問題）的定量物理模型。經驗模型確實存在，但缺乏基礎物理學。沒有好的模型，就很難控制或優化制造過程。
結論
ReRAM的競爭對手不會輕易放棄。ReRAM型技術的寫入時間非常慢，大約為20，000到30，000納秒。SRAM就像1或2納秒，”Numen的Guedj說。他聲稱Numen的最新技術可以將ReRAM的寫入時間縮短100倍，或者Numen的MRAM可以進一步縮短到50納秒左右，盡管MRAM面臨的挑戰是更高的處理成本。“需要更多的技術進步。Flash不能縮小。對MRAM來說，挑戰在于降低加工成本，這可能需要一段時間。大多數大型代工廠會保留他們的選擇，嘗試雙方，對沖他們的賭注。”
其他人認為勝利將屬于雷蘭。“與MRAM相比，ReRAM有兩個主要優勢——工藝簡單和更寬的讀取窗口，”的內存技術專家Jongsin Yun說西門子EDA。“MRAM需要10層以上的堆疊，所有這些都需要非常精確地控制，才能形成匹配的晶體蛋白。這對于保持高產量是一個挑戰。相比之下，ReRAM具有簡單得多的疊層，保持產量所需的努力相對較少。此外，MRAM具有非常窄的讀取窗口（開/關比），使得它非常容易因小的電阻偏移而失效。另一方面，ReRAM的讀取窗口高一個數量級以上，因此不易受寄生電阻偏移的影響。”
然而，在一個重要的領域，MRAM領先，所以它不太可能ReRAM將是最后一級緩存的合適選擇。Yun說，“ReRAM的典型速度在微秒到數百納秒的范圍內，不適合用作末級緩存（LLC）。至于耐用性，ReRAM產品的目標耐用性通常在1E5 ［100，000個寫入周期］左右，遠低于LLC的要求（1E12個周期）。由于這些限制，有更多的討論圍繞MRAM的最后一級緩存。Adesto后來被Dialog Semiconductor收購（Dialog Semiconductor又被Renesas收購），展示了高達10ns的ReRAM寫入速度。相比之下，IBM和三星聯合小組以250ps的速度演示了MRAM的Mbit，這表明了明顯的速度差異。”
由于這個和其他原因，在可預見的將來，很可能會有幾種nvm的選擇。
IBM的Ando說：“讓NVM適用于每一個應用程序成為標準，而不是一個適用于所有應用程序的夢想存儲器，這是更自然的事情。”。“我的期望是，我們看到NVM為每個應用定制，這已經在推理和訓練中發生了。”
最后，Rambus的Bronner說，MRAM和ReRAM似乎都是嵌入式存儲器。“總的來說，MRAM的性能似乎略高，但成本也更高。ReRAM更便宜，但可能達不到同樣的性能和可靠性。每個人都應該能夠找到一個家，這取決于最終客戶愿意做出的權衡。”
審核編輯：黃飛
工商網監
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