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?！癆desto 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?！盬eb-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?！?/p>

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?！?/p>

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?！?/p>

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?！?/p>

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。”

OxRAM vs. CBRAM

松下在 2013 年開始出貨 ReRAM，成為了世界第一家出貨 ReRAM 的公司。那時候，松下推出的是一款 8 位微控制器（MCU），其中集成了 180nm ReRAM 作為嵌入式內存模塊。

去年，松下與富士通聯合推出了第二代 ReRAM 技術。同樣基于 180nm 工藝，這款 4 Mbit 的 ReRAM 器件適用于便攜式和醫療產品等低功耗應用。

現在，松下現在正在開發 40nm ReRAM，目標是在 2018 年推出。聯電的一處代工廠正在為松下制造生產這項技術。

松下的 ReRAM 基于 OxRAM 方法。松下首席工程師 Zhiqiang Wei 說：“我們認為 OxRAM 的滯留特性 （retention property）優于 CBRAM?！?/p>

在 180nm 節點，松下的 ReRAM 基于一種 TaOx 材料，帶有一個 Ta2O5 stalking 矩陣。作為比較，Wei 說，40nm 節點 ReRAM 將會使用“同樣的基本概念，但并不完全一樣的堆疊方式?！?/p>

在器件方面，松下的 ReRAM 是圍繞 1T1R（單晶體管單電阻）架構設計的。1T1R 需要很大的晶體管，以便為該器件提供足夠的驅動電流。這反過來又限制了芯片的內存密度。

但 1T1R 對嵌入式內存應用而言很理想。OEM 會為嵌入式應用使用 MCU 和其它芯片。一般來說，MCU 可以在同一個器件上集成嵌入式內存。嵌入式內存通?；?EEPROM 或 NOR 閃存，可用于存儲代碼和其它數據。

那么 ReRAM 的適用領域是什么？在一個案例中，來自富士通-松下組合的 4 Mbit ReRAM 比 EEPROM 的密度更大。實際上，ReRAM 可以替代 EEPROM。

所以，嵌入式 ReRAM 的定位是低功耗、成本敏感、無需快速寫入速度的解決方案。聯電的 Sheu 說：“ReRAM 的定位是作為物聯網和其它應用的低成本解決方案?！?/p>

目前 ReRAM 和相近的對手 STT-MRAM 有不同的市場定位。“MRAM 針對的是需要更高性能的應用，比如 MCU 和汽車?！盨heu 說，“我們相信 STT-MRAM 未來可以成為一種優良的非易失性內存替代方案，因為它具有更好的擴展性和性能?！?/p>

在一種應用中，STT-MRAM 的定位是在 22nm 及以后節點的 MCU 中替代 NOR。NOR 在 28nm 節點之后就難以擴展了，需要 STT-MRAM 這樣的新解決方案。隨著時間推移，ReRAM 也有可能成為 NOR 的替代技術。

到目前為止，STT-MRAM 已經擴展到了 28nm，22nm 及以后節點也正在開發之中。而 Crossbar 的 ReRAM 技術處于 40nm 節點，28nm 及以后節點的技術仍在研發中。

無晶圓廠的創業公司 Crossbar 沒有使用 OxRAM 方法，而是使用了電化學金屬化工藝。據專家介紹，從機制的角度看，這項工藝使用了接近 CBRAM 的金屬離子細絲。

“OxRAM 的問題在于難以擴展?！盋rossbar 營銷和業務發展副總裁 Sylvain Dubois 說，“它在單元內部對細絲進行調節。其開關比（on/off ratio）不是很好?！?/p>

對于自己的電化學方案，Crossbar 聲稱開/關比會隨擴展而增加。Dubois 說：“這意味著當你擴展到下一個工藝節點時，這種技術將會得到改善?！?/p>

所以，Crossbar 的 ReRAM 器件可以擴展到 40nm 節點之后。他說：“現在我們正在和一家 20 幾納米的晶圓代工廠合作，甚至還有一家 10 幾納米的晶圓代工合作伙伴?！?/p>

更重要的是，Crossbar 的 ReRAM 比閃存有更低的讀取延遲和更快的寫入性能。為了利用自己已經推向市場的技術，Crossbar 正在開發兩種架構——1T1R 和一種堆疊式內存器件。

Crossbar 的 1T1R 技術針對的是嵌入式領域。其第一款 1T1R 產品基于 40nm 工藝，由中芯國際生產。

Crossbar 也在開發一種用于存儲級內存應用的技術。這種架構由單個層組成，這些層堆疊在器件上。其中內置了一個選擇器（selector），可以讓一個晶體管驅動一個或數千個內存單元。

圖 3：Crossbar 的堆疊式內存架構，來自 Crossbar

Dubois 說：“在 16nm 節點下，只需四層，我們就能得到 32 GB 的密度。只需較少的層，我們就能達到 GB 水平?！?/p>

Crossbar 這種堆疊式配置的 ReRAM 的目標是用于固態硬盤和雙列直插式內存模塊。對于這些應用，ReRAM 通常與已有的內存一起使用。它也可能替代一些 DRAM 和 NAND。

他說：“我認為我們不會一夜之間就替代一種類別。我們是要開啟新的數據存取方式。所以我們并沒打算替代即插即用的閃存或 DRAM。而是用在它們之間?！?/p>

ReRAM 在嵌入式應用領域還是前景可觀的，但在存儲級內存領域，這項技術將面臨很大的競爭。Applied 的 Ping 說：“它面臨著與已有解決方案的競爭。這個生態系統被更大的供應商控制著，所以并不容易?！?/p>

另外，將一種新內存技術推向市場還需要大量資源。比如英特爾和美光正在推 3D XPoint 技術，它們當然有資源為它們的業務開路。

未來

盡管 ReRAM 在存儲級內存市場能否成功還有待觀察，但這項技術也可用于其它領域，尤其是神經網絡。

Facebook 和谷歌等一些公司已經開發出了一些使用神經網絡的機器學習系統。神經網絡可以幫助系統處理數據和識別模式。然后，它可以學習到什么屬性是重要的。

這些系統很多都使用了帶有基于 SRAM 的內存的 FPGA 和 GPU。內存行業正在為這一領域研發 ReRAM。與 GPU/SRAM 架構相比，ReRAM 的密度大得多。

使用 ReRAM 這樣的專用硬件的計算也被稱為神經形態計算。Ping 說：“神經形態是模擬的。OxRAM 有這樣的性質。其電阻可以改變以滿足神經形態計算的需求?！?/p>

但是神經形態系統需要級聯多個堆疊的 ReRAM 器件。如前所述，只是控制單個 ReRAM 器件就已經很難了。

控制多個 ReRAM 更是難上加難。Ping 說：“神經形態計算最終將需要對電阻進行某種控制。同樣，使用 ReRAM 時，你要讓原子在細絲中移動。所以，這方面有多種可能。這事兒還是個未知數?！?/p>