2017年初，中國本土半導(dǎo)體制造龍頭企業(yè)中芯國際（SMIC）正式出樣采用40nm工藝的ReRAM（非易失性阻變式存儲器）芯片,，ReRAM存儲技術(shù)的發(fā)明公司Crossbar如橫空出世般出現(xiàn)在人們的視野中,。事實上,，在2016年3月 Crossbar進軍中國市場時，就宣布了與SMIC在40nm工藝的合作,，一年后的正式出樣也足以向業(yè)界宣告ReRAM真的來了,。
存儲器的市場到底有多重要？縱觀整個科技行業(yè),，存儲未來成長空間依然很大,，5G時代、物聯(lián)網(wǎng),、人工智能,，這些科技產(chǎn)品的發(fā)展都離不開存儲。獨立存儲器占了950億美元的市場,，與邏輯電阻集成在一起,、需要嵌入式存儲器的邏輯電路則有著1350億的市場規(guī)模。而中國市場,，存儲器的規(guī)模有200億,，成為各大存儲廠家爭相搶占的一個市場。
近期,，《電子技術(shù)應(yīng)用》記者采訪了Crossbar戰(zhàn)略營銷和業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁Sylvain Dubois,，針對其ReRAM技術(shù)的最新發(fā)展動向進行了一些了解和討論。
Crossbar戰(zhàn)略營銷和業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁Sylvain Dubois
Sylvain Dubois指出,，Crossbar的存儲器技術(shù)不僅會進入950億美元的獨立存儲器的市場,，也會進入到擁有1350億美元市場規(guī)模的邏輯電路里面。中國市場是Crossbar非常重要的市場,。
Crossbar公司成立于2010年,，總部位于美國加州圣克拉拉，是ReRAM技術(shù)的業(yè)界領(lǐng)導(dǎo)者，申請專利310項,，160項已獲批,。Sylvain Dubois指出，ReRAM技術(shù)能夠很好地填補DRAM與閃存SSD之間的延遲差距：“我們的戰(zhàn)略是從填補這個差距來進入,。我們擁有一個非常獨特的技術(shù)就是金屬導(dǎo)電細(xì)絲的可變電阻，就是阻性存儲器技術(shù),?！?/p>
有向7nm等先進工藝節(jié)點演進的潛力
ReRAM三層架構(gòu)
ReRAM是基于簡單的上電極、阻性轉(zhuǎn)換介質(zhì)和下電極組成的三層架構(gòu),。而阻性轉(zhuǎn)換介質(zhì)的工作機理是,，當(dāng)電壓作用于兩個電極之間時，會形成導(dǎo)電細(xì)絲,?；诓煌霓D(zhuǎn)換材料和存儲單元的組織形式，有不同的方法實現(xiàn)ReRAM,。轉(zhuǎn)換材料的不同,，器件性能會有重大差異。
Crossbar的ReRAM技術(shù)使用了基于硅的轉(zhuǎn)換材料作為形成金屬導(dǎo)電細(xì)絲的宿主,。當(dāng)電壓作用于兩個電極之間時,，就會形成納米級導(dǎo)電細(xì)絲。因為阻變式轉(zhuǎn)換的機理是基于電場的,，Crossbar的ReRAM存儲單元非常穩(wěn)定,，溫度變化范圍可以在-40C~125°C之間，100萬次以上寫次數(shù),，以及在85°C溫度下數(shù)據(jù)可以保存10年,。
Sylvain Dubois指出：“我們的導(dǎo)電細(xì)絲非常小，直徑在5nm以下,。在工藝節(jié)點的演進上,，目前我們在40nm量產(chǎn)，因為它的技術(shù)的獨特性,，它可以一直微縮到7nm,。ReRAM不像閃存，它可以一直向先進的工藝節(jié)點演進,。而且可以垂直地進行3D的堆疊,，從而為在單個芯片上實現(xiàn)TB級的存儲能力鋪平了道路?！?/p>
比Flash閃存提升100倍讀性能和1000倍的寫性能
Crossbar的ReRAM技術(shù)是基于一種簡單的器件結(jié)構(gòu),，使用與CMOS工藝兼容的材料和標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝流程。它可以很容易地在現(xiàn)有的CMOS晶圓廠中被集成和制造。由于Crossbar ReRAM陣列是在低溫的后段工藝制程中進行集成,，多層Crossbar ReRAM陣列可以在CMOS邏輯晶圓上部進行集成,，從而構(gòu)建3D ReRAM存儲芯片。
Sylvain Dubois解釋到：“因為與CMOS的邏輯電路完全兼容,，所以它的一個大優(yōu)勢就是可以集成到CMOS GPU里,，可以在CMOS邏輯的代工廠生產(chǎn)，也可以在存儲器的代工廠生產(chǎn),，可以作為一個單獨的存儲器取代目前流行的NAND Flash,，在SSD里會有大量的NAND Flash去實現(xiàn)SSD的功能?！?/p>
ReRAM集成在CMOS邏輯晶圓上
與傳統(tǒng)的Flash閃存相比,，Crossbar ReRAM提供更快的、bit級翻轉(zhuǎn),、無須擦除的操作,。它提供比閃存低100倍的讀延遲、快1000倍寫性能,，更小的頁面架構(gòu)從而減小讀寫延遲,、降低能耗、提升存儲器解決方案的壽命,。
人工智能芯片的新選擇：低成本,、低能耗、高安全性
現(xiàn)在非常流行的人工智能技術(shù),，通過深度學(xué)習(xí)和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu),，去提取不同的特征，通過矩陣的形式來實現(xiàn)特征的識別,，如：人臉識別,、語音識別、模式識別等方面,。
以卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為例,，卷積的運算占到90%~99%，需要不同的濾波器對輸入圖象的數(shù)據(jù)進行計算匹配,，匹配就輸出1,，不匹配的部分輸出0，這樣就可以判斷圖象的模式,。在整個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)里有大量的模型存在,，去匹配不同的模式。
目前用于人工智能的芯片的實現(xiàn)需要非常昂貴的片上SRAM,，可以做在CMOS的電路里,，但是很貴,。采用少量的SRAM再加上外部的芯片上容量比較大的DRAM，在使用外部DRAM和片上SRAM的架構(gòu)會有很多memory的訪問操作,，延遲會很大,，同時會消耗很多能量。Sylvain Dubois認(rèn)為,，Crossbar的技術(shù)可以對人工智能的芯片帶來革命性的影響,。
“如果用嵌入式的ReRAM來實現(xiàn)，可以不需要外部的DRAM來存儲大量的模型數(shù)據(jù),，內(nèi)部的SRAM也可以減到最小,。因為整個模型參數(shù)都會放在ReRAM里，ReRAM的數(shù)據(jù)直接參與計算,， ReRAM在片上,，和處理器非常近,，能耗會很低,，性能會很好?！?Sylvain Dubois 介紹到,，“還帶來一個額外的好處就是安全性非常好，因為這個模型實際上是在片上的,，不像模型放在DRAM或者外部的閃存上容易被竊取,。”
ReRAM技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋了消費電子,、企業(yè)存儲,、物聯(lián)網(wǎng)、安全支付等電子行業(yè)的方方面面,，在多個目標(biāo)領(lǐng)域都非常有優(yōu)勢,，AI則是Sylvain Dubois認(rèn)為優(yōu)勢顯著的領(lǐng)域：“AI綜合了IoT、安全,、計算各個方面,。目前還沒有其他技術(shù)可以是現(xiàn)在AI芯片里集成存儲器的解決方案。Crossbar在AI領(lǐng)域會有非常明顯的優(yōu)勢,?！?/p>
類ARM式IP授權(quán)
Crossbar公司采用IP授權(quán)的模式，比較接近于ARM的模式,。Sylvain Dubois 介紹到：“Crossbar為不同的客戶提供不同的服務(wù),，對于設(shè)計能力強的公司需要授權(quán)是給予授權(quán)；對于在技術(shù)方面需要更多支持的公司,，也可以在很大程度上幫助客戶設(shè)計產(chǎn)品,。雖然是IP授權(quán),，但是我們可以針對不同的公司提供定制化的服務(wù)?！?/p>
后記：盡管除了ReRAM之外,，3D XPoint 和 STT-MRAM等新的內(nèi)存技術(shù)發(fā)展勢頭都不錯，但MRAM已經(jīng)發(fā)展了20多年,，面臨很多挑戰(zhàn)性,，ReRAM發(fā)展至今才7年，在SMIC已經(jīng)進入到量產(chǎn)的階段,，進展相對而言是比較快的,，在AI迅速發(fā)展需求的推動下，ReRAM有望利用自身優(yōu)勢在市場上首先分得一杯羹,。