RRAM:走向新型嵌入式存储之路

日期:2016-07-20

本文作者:Crossbar半导体战略市场营销及业务开拓高级总监Sylvain Dubois
如果传统内存技术无法满足需求,那么哪种技术能够满足?随着闪存在消费类电子产品设计中无处不在的应用,是否可以考虑替代现有的过时技术?
物联网(IoT)的出现和人类生活对智能设备永不满足的需求正驱动着传统智慧在微控制器和嵌入式内存市场的彻底变革。
随着电子设备智能化程度的提高,软件编码增大,需要加快处理速度才能处理通信协议、身份验证、信息生成和历史积压数据。我们行业逐渐开始认识到这样一个现实 - 当前的内存技术无法满足新一代编码存储容量和性能需求,同时嵌入式软件编码也随之快速增加,由过去的几个千字节到现在的数个兆字节。
Web-Feet Research等分析公司预测,到2018年,消费类电子设备的嵌入式内存市场将突破28.8亿美元,现在是我们为这一问题想出解决方案的时候了。如果传统内存技术无法满足未来需求,那么哪种技术能够满足?随着闪存在消费类电子产品设计中无处不在的应用,是否可以考虑替代现有的过时技术?
内存困局


在设计新微控制器或系统芯片时,设计人员必须考虑嵌入式内存容量和组织结构,在做出架构决策时还要考虑集成。但是,下一代系统架构师还必须重新寻找嵌入式内存块与逻辑处理器集成的方式。
如果我们审视一下当前的闪存技术,信息存储是基于电荷密度。丢失几个电子可能造成严重的可靠度问题,当达到25nm以下时,闪存技术将遭受耐久性、保留度和可靠度的严重衰退。
为了克服闪存技术固有的耐久性、保留度和可靠度问题,目前的数据存储系统使用了可管理复杂架构与算法的高端内存控制器芯片,如纠错码和DSP算法、耗损平衡、坏块管理、数据复制、逻辑到物理映射、垃圾收集和DRAM缓冲。尽管需要有这些替代办法来支持闪存技术,但这些复杂的技术在嵌入式系统架构中转换并不容易。因此,现在迫切需要可有效替代闪存的新嵌入式内存技术。
嵌入式内存技术电阻式RAM


幸运的是,能够克服嵌入式闪存技术自身局限又具有成本优势、低功耗、高性能和小足迹的新型内存技术已经出现。其中最具前景的就是电阻式RAM(RRAM)技术。
典型的RRAM设备由两个金属电极夹一个薄介电层组成,其中介电层作为离子传输和存储介质。选用不同的材料,实际机制会有显著差别,但所有RRAM设备间的共同连接是电场或是热源,它们引起存储介质离子运动和局部结构变化,反过来又造成设备电阻的显著变化。
我们Crossbar 公司团队开发的一种RRAM采用了常用的非晶膜(如非晶硅(a-Si))作为形成丝状体的基质材料。电阻接通过程中形成的导电“丝状体”由离散的金属颗粒组成,而不是连续的金属丝刷。这些特性使其具有多种性能优势,有望消除闪存面临的诸多问题。
非晶硅与闪存不同,可成功缩小至5nm,而且性能更佳。非晶硅RRAM与传统的RAM也不同,它的足迹减小,因而成本更经济。RRAM模糊了不同内存类型之间的界限,从而简化了内存子系统的架构和分层,实现了成本更低、足迹更小、密度更高、速度更快的内存。

图1:Crossbar的集成设备RRAM产品
 
在CMOS(互补金属物半导体)基础上,RRAM内存可与具体的逻辑功能紧密集成,例如与安全加密算法集成,用于智能卡或生物计量应用。这种集成实现了大数据分析使用的高性能、大规模并行计算处理系统,将迎来内存与逻辑系统混合架构的新时代。
在3D架构中,RRAM各分层还可以彼此叠加,从而可以小足迹实现大内存容量。借助具体的架构技术,RRAM可以层叠在CMOS逻辑闸上,从而产生超密逻辑+内存系统的解决方案、
RRAM技术具有消费类电子产品、家用电器、无线传感器网络和一次性电子产品所需的成本竞争优势。而且,其经过提升的读写性能和高能效还有望应用于移动设备和可穿戴电子设备上。
随着RRAM成为主流,我们将看到由大容量嵌入式内存支持的高智能化系统解决方案,以及可在联网设备间实现新型应用的高效率微控制器。RRAM是未来的发展趋势,也是将最终让备受推崇的物联网成为现实的力量之一。
 
 

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