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新一代存儲技術終亮相,中芯國際聯合開發的ReRAM將壟斷下一個時代?
2017-01-17 來源:麻省理工科技評論

在人工智能、雲計算和大數據等前沿技術的驅動下,不論是普通消費者還是企業級客戶,對於存儲的需求是愈加強烈。而傳統存儲技術相對滯後的發展速度顯然已經很難滿足現實的需求,市場急需新一代存儲技術的出現。


近日,專注於ReRAM技術的Crossbar公司宣布與中芯國際合作開發的40nm工藝的ReRAM(非易失性阻變式存儲器)芯片正式出樣,而更為先進的28nm工藝的ReRAM芯片也將在今年上半年問世。這意味著在存儲領域即將迎來一場變革。

存儲技術困局

隨著電子產品的愈加智能化,為了更快速的處理通信協議、身份認證、消息生成和數據累計等任務,應用程序的底層代碼也是越寫越長,從以前的幾千字節發展到現如今的幾兆字節。這也就自然而然地導致當前的存儲手段已無法滿足新一代技術對存儲容量和存儲性能的要求。

反 觀當前的閃存技術,信息的存儲是基於電荷密度,丟失幾個電子會導致嚴重的可靠性問題,一旦芯片尺寸低於25nm,閃存技術的耐久性、維持性和可靠性就會出 現嚴重的不確定性。每當有新的單片機和晶片系統需要被設計時,設計人員在做結構設計時必須考慮到存儲器容量、架構和集成等相關問題。但這種努力並非是一勞 永逸,另一批系統架構師仍舊需要重新研究嵌入式存儲模塊與邏輯處理單元集成的方式。


根據分析公司Web-FeetResearch的預測,到2018年,消費類電子產品的存儲器市場將達到28.8億美元,龐大的需求已經迫使這個問題必須得到解決了!

改 良性的解決方案是數據存儲系統使用高端的存儲控制芯片來管理複雜的架構和算法,例如,清華紫光就已經投入了數百億美元到NAND、DRAM等存儲器的開發 之中,預計在明年將會推出國產3D NAND閃存,但無論是NAND還是DRAM都屬於是當前水平的技術,而且在這些領域,中國與世界先進水平相比也已經落後了20多年,所以要想實現逆轉, 還是要寄希望於下一代存儲技術上。

當前在下一代存儲芯片的研發當中,除了Intel、鎂光基於PCM相變存儲技術研發的3DXPoint 芯片之外,最知名的恐怕就是ReRAM芯片了。作為開發ReRAM最具代表性的企業,成立於2010年的Crossbar的實力也不可小覷,它的首席科學 家和聯合創始人盧偉(Dr. Wei D. Lu)博士在ReRAM領域有十二年的研究經驗。自然這家公司的一舉一動都會引起業界的廣泛關注。為了進軍中國市場,在2016年3月,Crossbar 與中芯國際達成合作,基於中芯國際的40nm CMOS試產ReRAM芯片,而如今總算是成為現實



盧偉

據悉,這種芯片比上一代的NAND芯片性能更強,密度比DRAM內存高40倍,讀取速度快100倍,寫入速度快1000倍,耐久度高1000倍,200平方毫米左右的單芯片即可實現TB級存儲,還具備結構簡單、易於製造等優點。

何為ReRAM?

在 當今存儲的所有數據中,有90%是在過去兩年內生成的。數據生成及對數據的快速訪問已經成為現代用戶體驗不可或缺的一部分,這也將在可預見的未來繼續推動 存儲需求的迅猛增長。然而,當目前的平面NAND閃存被一步縮小光學尺寸時,就會達到物理和工程極限。而像Crossbar的ReRAM這樣的下一代非易 失性阻變式存儲器,就不會有這些限制,它將可以提供高性能、大容量的新型存儲器。

ReRAM代表電阻式RAM,是將DRAM的讀寫速度與 SSD的非易失性結合於一身的新一代存儲技術。換句話說,即便是在電源關閉的情況下存儲器仍能記住數據。如果ReRAM有足夠大的空間,一台配備 ReRAM的計算機將幾乎不再需要載入時間。這使得ReRAM在下一代眾多高擴展性、高容量、高性能和高可靠性存儲解決方案中最被看好。

一個典型的ReRAM單元具有一個轉換材料,介於具有不同的電阻特性的兩個金屬電極之間。 ReRAM的轉換效應基於在電場或熱力影響下的離子的運動以及轉換材料存儲離子的能力,而這反過來又會影響電阻測量的精度。


在眾多不同的ReRAM實現方法中,它們採用不同的轉換材料和內存單元結構。不同的材料所具有的不同特性也會導致顯著的性能差異。 ReRAM技術最大的難題在於克服溫度靈敏度、與標準CMOS技術和製造工藝的整合以及每一個ReRAM單元的選擇機制。

ReRAM已經成為大家競相看好的項目,一些公司聲稱會在未來的1-2年實現ReRAM芯片的樣片生產。

CrossbarReRAM技術的存儲介質是包裹絕緣性非晶矽(a-Si)的金屬絲。其基於電子場的轉換機制使得Crossbar ReRAM單元能夠在較廣的溫度範圍內穩定工作。

CrossbarReRAM的單元結構簡單,所採用的材料、工藝步驟和製造工具都是通用的,這使得任何一家半導體代工廠都能夠通過得到Crossbar ReRAM技術授權的方式來開展內存業務,製造存儲級內存芯片。

ReRAM 內存的性能和比特/尺寸密度取決於內存單元的內聯方式。嵌入式低延滯、高速內存可以通過用一個晶體管對每一個內存單元進行單獨控制來實現。在1T1R(每 1個ReRAM單元有一個晶體管)的陣列組織結構中,內存的總體積由每一個晶體管的體積所決定。高密度存儲級內存則需要有一個密度高得多的內存陣列組織架 構,並以此來實現成本效益最優化,這就要求能夠用一個單一的晶體管來連接成千上萬的內存單元。這種1TnR組織結構只有當ReRAM單元的內置的選擇機制 可以單獨地或者不指定地選擇ReRAM單元時才有可能實現。



Crossbar ReRAM I/V曲線(1T1R和1TnR)

與 傳統的NAND閃存相比,CrossbarReRAM速度快的多、位元可修改並且只需要更低的電壓,這使得它可以被應用於嵌入式和SSD設備之中。 Crossbar ReRAM技術的多面性使得內存單元在1T1R陣列中相聯時能夠實現非常低延滯的內存讀取,或在交點1TnR陣列中實現面積最優(4F2單元),這都要歸 功於Crossbar已經申請專利的內置選擇技術。

CrossbarReRAM技術的易製造性已經被在代工廠製造的工作陣列所證明。這一 工作芯片是將單片CMOS控制器和內存陣列芯片整合在一起。公司目前正在完成這一器件的優化,併計劃將第一個產品推向嵌入式SoC市場,同時還將繼續在先 進的製程工藝基礎上推進高密度存儲級內存陣列的研發。

CrossbarReRAM的優勢

到 目前為止,還沒有一個切實可行的NAND的替代技術,而Crossbar的ReRAM則有機會把握住這一市場價值超過400億美元的機遇。 Crossbar仍在研製中的ReRAM技術已經取得了顯著的商業化進展,只要保持這一優勢,他們將能夠搭建一個具有成本效益的、多層級的ReRAM市 場,從而超越3D NAND等競爭對手。

                                                                 Alan Niebel

                                                  Webfeet Research創始人兼CEO

Crossbar不聲不響地帶來了一個極具吸引力的、全新的替代性存儲器技術。他們解決方案的關鍵是將ReRAM內置於存儲單元之中,不像其它ReRAM技術還需要一個單獨的外部設備,這無疑會帶來噪音等諸多問題。而這也就會顯示出Crossbar方案的極大優勢。

                                                                     Jim Handy

                                                         Objective Analysis總監


CrossbarReRAM 技術基於一個簡單的結構,採用CMOS工藝常用的材料以及標準的製造工藝,無需任何特別的機器設備或者材料,就可以很容易地在現有的CMOS工廠進行製 造。由於Crossbar ReRAM採用了低溫後段製程工藝整合,所以多層Crossbar ReRAM陣列可以被整合到CMOS邏輯晶圓之上,從而創建出3D ReRAM存儲芯片。

Crossbar ReRAM單元存儲介質是包裹絕緣性非晶矽(a-Si)的金屬絲,這與在閃存單元里電子存儲的形式有很大不同,因為哪怕是少量的電子損耗都會引發可靠性問 題,所以鎖定電子就變成了一個艱鉅的挑戰。這也是為什麼閃存的性能在較小的製程工藝尺寸上會有所降低的原因。而Crossbar ReRAM在不同尺寸上都不會影響設備的性能,並且有望被用於10納米以下的尺寸。


CrossbarReRAM 技術具有眾多特性,可以實現多種全新的存儲解決方案類別。 Crossbar ReRAM單元的內置選擇特性允許不同的內存陣列配置,一個晶體管可以驅動一個或者成千上萬個內存單元,從而實現了針對不同目標應用的靈活設計:嵌入式代 碼存儲的快速讀取和處理器的直接執行,或者對存儲數據的高密度、低延滯讀取。

Crossbar ReRAM技術相較於NAND閃存能夠將讀取延滯降低到1/100,將寫入速度提升20倍,而且還可以不受限制地對數據進行反复擦除。 CrossbarReRAM技術可以以小頁模式建構,可以被獨立地擦除或者重新編程。通過移除無用單元回收所要求的大量後台內存讀取,這種全新的存儲架構 大大簡化了存儲控制器的複雜度。該技術的寫入放大率為1,從而為用戶帶來低的讀寫延滯、更低功耗以及存儲解決方案更長生命週期的好處。

憑藉這些突破性的性能和可靠性、超高的容量、低功耗以及針對多種存儲架構的可調性,Crossbar將為消費電子、企業存儲、移動計算、工業/汽車/醫療、物聯網以及可穿戴設備應用帶來一波新的創新。

性能

為 了在用戶端維持令人滿意的性能指標,固態硬盤(SSDs)存儲系統設計師們不得不開發複雜的架構和算法,以應對3D MLC/TLC NAND閃存所固有的設計局限。當NAND製造商試圖通過縮減設計從而降低成本時,複雜的系統在實際的用戶案例中對性能產生了影響,從而導致了SSD測試 基準中出現的主要的系統瓶頸問題。


NAND 閃存程序運作很緩慢,並且是在大型頁面的粒度上完成的。當今的MLC/TLC NAND或者3D NAND閃存需要600微秒到1毫秒來對一個8-16K字節的頁面進行編程。對於典型的用戶案例來說,這個速度太慢了,所以每一個程序運作必須首先被重新 導向到一個位於臨時位置的寫入緩存,比如一個SRAM或者DRAM緩存或者一個以SLC模式配置的NAND分區。

NAND閃存在進行編程 前必須進行擦除。 NAND的擦除操作非常慢,需時10毫秒左右,並且在一個非常大的4-8兆模塊中進行。為了克服這一重要的設計局限,可以讓SSD控制器來管理邏輯到物理 (L2P)映射,對原始和校正數據位置進行追踪,並使得在必須進行模塊擦除操作前推遲該操作成為可能。

釋放單元回收代表了數據管理的另一個附加層面,它被要求用於在存儲器處於空閒模式時正確釋放模塊中的無用數據。當釋放單元回收在模塊間轉移數據時,新產生的請求可能產生問題。這是一種典型的懲罰,會導致長達數秒的冗長的、不確定的延滯。

因 此,對於一次SSD的寫入,通常會有幾次SSD控制器、NAND閃存和DRAM部件之間的後台內存操作。這被稱為寫入放大(WA),它可以用來衡量控制器 的效率。大部分系統的WA通常在3-4之間。更高的WA數值會直接影響存儲設備的可靠性和性能,因為它放大了對設備寫入的次數,使得一個單元處於速度快得 多的最高週期。這點在相對更小的技術尺寸上顯得更為相關,在這些技術尺寸上,NAND內存單元的最高週期降至3000程序週期以下。

這些複雜的問題很大程度影響了終端用戶的體驗,並解釋了與SSD製造商所提供的SSD規格相比較,為什麼SSD基準測出的性能會有所不同。在按此寫入的情況下,假如用戶想從網絡上下載一部高清電影到本地存儲器上,或者當企業存儲廣泛使用SSD時,這些問題將無法掩蓋NAND閃存技術固有的設計局限


CrossbarReRAM技術無需在編程前進行擦除操作。對ReRAM的單次寫入可以在很小的頁面顆粒上非常快地完成。下一代針對ReRAM進行優化的SSD控制器將能夠以更快的速度更新更小的頁面,並大幅降低NAND所需要的後台內存操作。基於ReRAM的SSD將提供更低、更確定的讀取延滯(數十微秒)。

密度

Crossbar擁有專利的轉換器設備解決了高密度ReRAM開發人員面臨的最大技術挑戰之一,它被稱為潛洩電流(或漏電流)。 Crossbar的3D ReRAM存儲解決方案是基於1TnR陣列(1個晶體管驅動n個電阻式內存單元),其選擇率使得讓一個晶體管管理很大數量的內聯的內存單元成為可能,從而實現很大容量的固態存儲。在1TnR模式下,1個晶體管能夠以非常低的功耗驅動超過2000個內存單元,但也會遇到潛洩電流的漏電問題,對典型ReRAM陣列的性能和可靠性產生干擾。 Crossbar擁有專利的電場輔助超線性閾值轉換器設備解決了這一漏電問題,它採用了一個超線性閾值層,裡面有一個在閾值電壓值上形成的易變性傳導通路。這樣的電場輔助超線性閾值設備是業內第一個能夠將洩露電流抑制在0.1納安之下的轉換器,並已在一個4 Mbit整合3D堆疊式被動Crossbar陣列中成功實現。

Crossbar的轉換器在2014年年底的IEDM上進行了展示,它實現了有報告以來最高的選擇率(10的10次方),低於5mV/dec的極銳斜率,超過100M週期的耐久性,以及低於300攝氏度的處理溫度,解決了潛洩通路問題,從而解決了潛洩通道問題,體現了商用可行性。 Crossbar的轉換器是第一個解決了這一設計挑戰的解決方案,為在單芯片上實現TB字節級別的存儲成為現實鋪平了道路,從而使得ReRAM成為領先的下一代NAND內存替代品。

能耗

CrossbarReRAM技術將簡化掉多個數據存儲部件和SSD或者其他類似數據存儲解決方案中的控制器之間的數據讀寫管理。減少後台內存操作的數量有助於提高數據存儲設備的性能和耐久性,但也降低了SSD控制器的功耗和對DRAM的使用,以及數據存儲部件在進行讀寫時的功耗。

在內存單元層面,CrossbarReRAM提升了編程性能和功耗效率。它實現了64pJ/cell的編程功耗,與NAND閃存相比這是20倍的提升。

可製造性和可擴展性

CrossbarReRAM包含簡單的雙端器件,能夠被整合到後端金屬層,從而成為替代NAND閃存的完美、低成本解決方案。毫無疑問,平面MLC/TLC NAND正面臨擴展性的挑戰,而其性能在10 納米尺寸也將有所減損。當20納米級別的3D NAND開始被考慮成為平面NAND的替代品時,3D NAND技術在進入10納米尺寸級別時將面臨同樣的可擴展性挑戰和性能減損。


從單元角度來看,電阻式內存元件在設備面積減小時仍會產生同樣的導通電流,但是關閉電流會被降低。導通電流和關閉電流的比率通常從幾百到超過1000。它也改善了傳感範圍,使得以更少的複雜CMOS外設電路進行傳感以及在更小的技術尺寸實現MLC/TLC成為可能。 Crossbar ReRAM絲基電阻式內存元件能把單元尺寸擴展到10納米以下。

有兩項工藝參數非常重要——轉換材料的膜厚(TSL)和轉換電極的關鍵尺寸(CD)。這些參數通過使用當今最尖端的製造設備可以很容易地得以控制,包括當今20-40納米尺寸晶圓代工廠中所使用的光刻、PECVD薄膜沉積、以及金屬刻蝕機台。

CrossbarReRAM能夠使用與製造基於CMOS的外設電路一樣的整套設備,內存元件可以在低溫工藝下嵌入。 ReRAM單元嵌入的熱預算不會對CMOS器件性能產生影響。取決於內存的種類,ReRAM層通常可以在多達16個堆棧的熱預算下正常工作,而不會給器件性能帶來顯著的改變。 3D ReRAM堆棧與3D NAND堆棧截然不同,它可以非常容易地使用後端整合來實現。



ReRAM的應用前景

2016年Crossbar 獲得了8000萬美元的風投,其中包括來自中國風險投資公司北極光創投的支持,北極光創投董事總經理楊磊博士也對ReRAM技術做出了高度評價,他認為,ReRAM讓存儲的軟硬件控制系統變得非常簡單。

而ReRAM技術的高可靠性、高讀寫速度、大存儲量和耐久性這些特性使得它的應用場景非常廣泛,相信隨著未來ReRAM成為主流,高效的存儲器將有助於實現不同設備之間更加智能的連接,而這對人工智能、雲計算、大數據、無人駕駛、物聯網等方方面面都將產生深遠的影響,若問未來是什麼樣子,答案或許會在ReRAM裡面。

 
     



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