深圳：2023年集成电路产业收入预计突破2000亿元
06-06
嵌入式闪存长期以来给设计者带来了更好的写入速度和更低的功耗的希望，但随着该技术的优势缩小到 28 纳米，另一个问题出现了。
制造这些尺寸的闪存可能需要十几个掩模，这增加了成本。
最重要的是，闪存需要较高的热预算和相对较高的前端电压。
这就是潜在竞争对手看到潜在机会并尝试 ReRAM 的地方。
ReRAM 支持者的一个关键论点是，一些新应用需要更高的性能，而通过简单地扩展闪存来提高速度已不再能够实现。
传统上，拥有根深蒂固的参与者的内存市场对于新来者和新技术来说很难攻克，部分原因是很难在成本基础上与那些已经完全折旧其晶圆厂和设备的芯片制造商竞争；部分原因在于，随着时间的推移，现有技术已被证明是有效的。
更重要的是，在存在多个参与者的市场中，公司不断创新以保持竞争力。
因此，如果这些其他技术能够占据主导地位，很可能会出现在NOR闪存市场的高端，那里有新的机会和更高的平均售价，而不是NOR可能仍然可行的主流。
在许多的汽车应用中尤其如此，成本是一个关键因素。
“一辆典型的汽车大约有 20 个闪存设备，”华邦电子营销副总裁 Jackson Huang 说。
“一辆车里有六到八个带有闪光灯的摄像头。
仪表板使用闪存，信息娱乐系统也是如此。
MCU 内置一定数量的闪存。
但真正推动这个市场的是，在过去的几年里，随着无线图像的出现，闪存的使用量无论是在密度还是单位出货量上都显着增加。
通常至少有 2 个图像，通常是 3 个。
您有一个默认图像，以防万一发生问题。
Synopsys EDA 团队应用工程总监 Xi-Wei Lin 也看到了未来的多种选择。
“ReRAM 可以用作嵌入式物联网设备中的内存或作为 MCU 中的独立单元，”他说，“ReRAM 不受磁攻击，因此它对于特殊环境或具有独特安全需求的应用可能很有用。
NVM 将继续成为特定于应用的选择，具体取决于性能、功耗、可靠性、密度、外形尺寸和成本。
在我看来，总是需要权衡取舍，并且没有一刀切的解决方案。
”市场研究支持了这些结论。
根据 Business Market Insights 的数据，NOR 市场正以 14% 的复合年增长率增长，预计到 2020 年将达到 16.4 亿美元。
同时，ReRAM 的价值将在未来几年内超越 NOR，不断增长根据 Data Bridge Market Research 的数据，复合年增长率为 17.2%，预计到 2020 年将达到 21.6 亿美元。
该公司仍然看好所有这些存储器，特别是考虑到异构集成和快速增长的数据量。
Numen首席执行官Jack Guedj表示：“下一代持久内存和传统的NOR Flash有很多优点，但它们的耐用性较低，写入性能较差。
” “对于某些应用来说，读取性能也太慢，并且主动读取功率太高，这意味着 SoC 设计人员要么直接从这些存储器中读取/写入，要么添加大型 SRAM 存储器来缓冲电阻式 RAM，这在方面付出了沉重的代价性能和功耗。
” ReRAM 在惠普放弃努力后受到了打击，但近年来已经成熟。
在学术和企业研究实验室中，ReRAM 已成为神经形态 AI 应用的首选存储器，因为现有企业和初创企业解决了产生一致结果所需的棘手材料科学问题，正如去年学术界创建的 NeuRRAM 芯片所证明的那样。
伦敦大学学院教授兼 ReRAM 初创公司 Intrinsic 的首席技术官 Tony Kenyon 反思了为解决稳定性等基本挑战所做的努力。
“有很多论文发表，可以追溯到七八年前，其中的研究小组要么研究氧化物元素周期表，要么用不同元素掺杂氧化物，尝试一些设备，然后转向下一个。
”在一项工作中，IBM 选择了基于二氧化铪 (HfO2) 的 ReRAM，因为 IBM 之前通过其在用于逻辑晶体管的氧化铪方面的开创性工作熟悉了这种材料。
IBM 现在正在对其进行调整以满足深度学习的要求。
Intrinsic选择使用氧化硅。
“我们可以用氧化物做一些更有趣的事情，”凯尼恩解释道。
“我们可以采用名义上非常绝缘的材料，非常好的电介质，并通过以特定的方式构建氧化物，而不是制造已经使用了几十年的无缺陷均匀、平坦界面化学计量氧化物，我们可以以稍微稍微复杂的方式对其进行工程设计。
以不同的方式，我们可以采用这种材料并使其可切换，我们可以改变两种不同状态之间的电阻：高电阻状态和低电阻状态。
根据我们如何编程和创建设备，它还可以有更多状态，从某种意义上说，它甚至可以是电阻的模拟变化，但对于存储设备（ReRAM 存储设备）来说，两种状态是一个很好的起点。
” ReRAM 基础知识 虽然 ReRAM 中的材料科学极其复杂，但基本理论相对简单。
ReRAM 使用电阻作为开关的基础，而不是充电。
Intrinsic 首席执行官 Mark Dickinson 解释说：“基本上，它是一个具有可变电阻的电阻器，可以通过施加特定电压来改变电阻，并且可以重置和再次设置。
”ReRAM 操作的核心是导电丝，它在OxRAM中，金属氧化物材料夹在两个电极之间，当向顶部电极施加正电压时，在底部电极施加负电压时，在两个电极之间形成导电丝。
另一方面，ReRAM 在高电阻状态和低电阻状态之间切换，电阻的变化在存储器中用“0”和“1”表示。
，将铜或银金属注入硅中，从而改变两种状态之间的电阻。
图 1：ReRAM 的工作原理 大多数商业行业的努力，例如台积电与英飞凌的合作。
以 OxRAM 为中心。
Weebit Nano 研发副总裁 Ilan Sever 表示：“两者都被称为电阻式 RAM，因为两者都会改变某些存储元件的电阻，但在物理和化学方面它们却截然不同。
” “在氧空位中，我们在电阻层中创建了与电阻层相反的部分。
在不同的方向上施加不同的电压，根据我们施加的电压，导电丝会被创建或溶解。
通过这种方式，我们重置了单元—— Intrinsic 的 Kenyon 进一步解释说：“我们正在改变氧化物中的某些东西，我们正在创造一种桥接的灯丝。
这些器件是非常简单的电容结构，只有一层氧化物和顶部??的电极，我们可以制作一个桥接两个电极的导电丝，所以我们实际上是由氧空位组成的。
在氧化物中移动一些氧气，形成细丝，然后将我们从原来的高电阻状态转变为低电阻状态。
当我们反转极性时，我们将氧气移回另一个方向并重新氧化灯丝的一小部分而不是整个灯丝，然后我们可以在低电阻和高电阻状态之间来回移动许多，多次。
图 2：ReRAM 电阻器潜在的 eFlash 替代品 ReRAM 现在是替代高端嵌入式闪存 (eFlash) 系列的主要竞争者之一，尽管它不太可能是 NAND 闪存。
正如 Objective Analysis 在其 2018 年新兴存储器报告中所写，“随着时间的推移，大多数 SoC 中嵌入的 NOR 将几乎完全被 MRAM、ReRAM、FRAM 或 PCM 取代，这也将有助于推动独立新型存储器的成功。
Rambus Labs 高级副总裁 Gary Bronner 表示：“与嵌入式闪存相比，ReRAM 需要更少数量的掩膜来与 CMOS 工艺集成，可扩展到更小的节点，并且可字节寻址。
”传统 NAND 闪存的主要衡量标准是每比特成本，而 ReRAM 不具备竞争力。
ReRAM 获得关注的另一个例子是 Weebit Nano 的 ReRAM 现已完全合格并可用于 SkyWater Technology 的 nm CMOS 工艺。
此外，台积电和英飞凌多年来共同开发ReRAM（也称为RRAM），目前正在将其集成到汽车微控制器中。
“几年前，随着我们向先进工艺节点迈进，我们认为 RRAM 是嵌入式存储器的正确选择，”英飞凌营销和应用副总裁 Sandeep Krishnegowda 说道。
电力技术。
它是字节寻址的，因此与闪存不同，您可以直接写入。
耐用性和保持性能以较低的成本与闪存兼容。
十多年来，我们一直与台积电合作开发 RRAM 制造技术和算法。
我们首先在一些芯片卡中使用 RRAM，用于无现金支付和安全身份验证。
在控制器和 MCU 的消费工业市场中，我们使用这种类型的存储器作为嵌入式闪存的替代品。
最近，我们将其带入汽车领域。
“对于芯片卡来说，ReRAM还有另一个优势，那就是高抗辐射性和高电磁耐受性。
”如果你考虑支付卡以及每个人想要如何提取信息，你就会希望你的内存非常强大，”Krishnagoda指出，因为Kenyon 表示，ReRAM 不是基于充电的，不存在泄漏问题。
ReRAM 的缺点 与所有内存技术一样，ReRAM 也有其漏洞。
IBM 首席研究科学家 Takashi Ando 表示：“ReRAM 的根本挑战是它比其他材料噪音更大。
” “在氧化物 ReRAM 中，我们以随机方式移动氧空位。
在 CBRAM 中，我们以随机方式使用阳离子。
” 。
器件的运行存在一定的随机性，并且伴随着高噪声，因此固有的噪声水平是最大的挑战，但与MRAM或其他存储器相比，噪声的影响不容小觑。
。
“ReRAM 的最大问题是其在单单元水平上固有的可变性（噪声），”Synopsys 的 Lin 说。
“从一个开关周期到另一个开关周期的电阻变化可能与细胞群的电阻变化一样大。
对于基于丝状开关的 ReRAM，例如 OxRAM 和 CBRAM，电阻值由高电压下的电阻变化决定。
电场和/或局部高温度由少量氧空位或绕线尖端移动的金属原子控制，该过程本质上是随机的，并且少数原子或空位可以产生很大的影响，因此增加了固有的噪声。
开关电流可能会在一定程度上减轻，但代价是功耗。
” Intrinsic 的 Kenyon 淡化了这种影响。
“传统的行业观点认为，ReRAM 存在可变性问题，因为它是制造这些细丝的过程中固有的，对此您无能为力，”他说。
“但这实际上归结为材料工程问题。
我们已经证明，通过以正确的方式设计材料可以减少编程电压的可变性，例如，从高电压到高电压所需的不同电压的分布-电阻状态到低电阻状态。
” Ansys Totem 产品经理 Takeo Tomine 也指出，发热是 ReRAM 的一个问题。
“通常，对于 7 纳米以下的先进技术节点，器件尺寸会缩小，而电源电压 (Vdd) 保持恒定，从而导致更高的功率密度和更大的金属密度，从而产生更多热量。
自热效应是影响 ReRAM 可靠性和准确性的一个关键因素。
当热量被困在晶体管器件中时，自热变得最严重。
对于ReRAM来说，温度变化会降低R on / R off比率，这对包括人工智能在内的许多应用不利。
加工）。
仔细的热管理是必要的，特别是在不同设备之间功耗不均匀的设计中。
然后必须对产生的热量向附近层和设备的传播进行建模。
随着时间的推移捕获全芯片热图。
”Lin 补充道，“ReRAM 技术的一个主要挑战是缺乏多物理场（即电热化学问题）的定量物理模型。
经验模型确实存在，但它们缺乏基础物理学。
没有好的模型，就很难控制或优化制造过程。
” ReRAM 的竞争对手不会不战而屈人之兵。
“ReRAM 类型技术的写入时间非常慢，约为 20 到 30 纳秒。
SRAM 大约为 1 或 2 纳秒。
”Numen 的 Guedj 说道。
他声称 Numen* 可以将 ReRAM 写入时间减少 2 倍，或者 Numen 的 MRAM 可以进一步将其减少到 50 纳秒左右。
MRAM 面临的挑战是如何提高写入时间随着时间的推移，需要更多技术进步来降低处理成本，大多数大型代工厂可能会保留选择权，尝试双方，并进行对冲，”其他人认为 ReRAM 会胜出。
” ReRAM 有两大优势——工艺简单和读取窗口更宽，”西门子 EDA 内存技术专家 Jongsin Yun 表示。
“MRAM 需要 10 层以上的堆栈，所有这些都需要非常精确的控制。
形成匹配的晶体蛋白。
保持高产量具有挑战性。
相比之下，ReRAM 的层堆叠只需相对较少的努力即可保持良率。
此外，MRAM 的读取窗口（开/关比）要简单得多。
）非常窄，因此容易因小电阻偏移而发生故障。
另一方面，ReRAM 的读取窗口高出一个数量级以上，因此不易受到寄生电阻偏移的影响。
”然而，在一个重要的领域，MRAM * 的地位，因此 ReRAM 不太可能成为末级缓存的合适选择。
云说道。
“ReRAM 的典型速度在微秒到数百纳秒范围内，因此不适合用作末级缓存 (LLC)。
至于耐用性，ReRAM 产品的耐用性通常约为 1E5 [写入周期]，远低于 LLC 要求（1E12 周期）。
由于这些限制，人们对末级缓存 MRAM 进行了更多讨论，该 MRAM 后来被 Dialog Semiconductor（后来被瑞萨电子收购）收购，并演示了高达 10 纳秒的速度。
ReRAM 写入速度。
相比之下，IBM 和三星联合团队以 1.4 ps 的速度演示了 Mbit MRAM，这表明速度存在显着差异，”Yun 继续说道。
出于这个原因和其他原因，NVM 在可预见的未来可能会有多种选择。
IBM 的 Ando 表示：“让一款适合所有应用的 NVM 成为标准，比一种适合所有应用的梦想内存更自然。
” “我的期望是我们会看到适合所有应用的 NVM。
程序定制的 NVM，这已经在推理和训练中发生了。
”最后，Rambus 的 Bronner 表示，MRAM 和 ReRAM 似乎作为嵌入式存储器越来越受欢迎。
“从广义上讲，MRAM 似乎具有稍高的性能，但成本也较高。
ReRAM更便宜，但可能无法满足相同的性能和可靠性要求。
”每种技术都应该能够找到立足点，这取决于最终结果是什么。
客户愿意做出权衡。
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