電阻式隨機存取存儲器 （ReRAM） 是開發(fā)更具可擴展性、高容量、高性能、更可靠的存儲解決方案的競爭中下一個有前途的存儲器技術。

電阻式隨機存取存儲器 （ReRAM） 正在成為一種替代性的非易失性存儲器 （NVM） 解決方案，特別是在需要不斷提高性能和能效的云和數(shù)據(jù)中心環(huán)境中。隨著人類通過視頻流等優(yōu)質服務以及機器通過物聯(lián)網(wǎng)（IoT）對數(shù)據(jù)的需求不斷增長，ReRAM技術表現(xiàn)出比閃存更低的讀取延遲和更快的寫入性能，同時還實現(xiàn)了64pJ / cell的程序能量，比NAND提高了20%。

在數(shù)據(jù)中心環(huán)境中，3D垂直ReRAM陣列提供高性能內(nèi)存子系統(tǒng)，能夠取代傳統(tǒng)的基于DRAM或閃存的SSD，以更小的外形尺寸和更低的能源需求加快數(shù)據(jù)處理，存儲和檢索。借助 ReRAM，在提供 1 個 GIOP/U 的架構中，可以實現(xiàn)低于 5 納秒的延遲。

典型的ReRAM電池包含夾在兩個金屬電極之間具有不同電阻特性的開關材料。ReRAM的開關效應基于離子在電場影響下的運動和開關材料存儲離子分布的能力。反過來，這會導致ReRAM器件的電阻發(fā)生可測量的變化，從而減少介電擊穿的影響，隨著時間的推移，介電擊穿會降低存儲器元件的性能。

ReRAM技術最常見的挑戰(zhàn)是溫度靈敏度，與標準CMOS技術和制造工藝的集成，以及各個ReRAM單元的選擇機制。因此，設計人員根據(jù)他們選擇的開關材料和存儲單元組織，采用許多不同的方法來實施ReRAM技術。

結合這些變量，可能會導致ReRAM技術的性能顯著差異。因此，在評估 ReRAM 時應考慮的四個關鍵領域是：

可制造性

性能

密度

能源

讓我們仔細看看每一個。

可制造性

在制造ReRAM器件時，CMOS友好型材料和標準制造工藝是首選，因為它允許該技術在兩條金屬線之間輕松集成，直接連接到CMOS IP邏輯塊，并在現(xiàn)有晶圓廠中生產(chǎn)，而無需專用設備或材料（圖1）。由于 ReRAM 是一種低溫、后端生產(chǎn)線 （BEOL） 工藝集成，因此可以在 CMOS 邏輯晶圓的頂部集成多層 ReRAM 陣列，以構建 3D ReRAM 存儲芯片。這使得在單個芯片上實現(xiàn)由片上NVM、處理內(nèi)核和模擬子系統(tǒng)組成的極其集成的解決方案，從而成為優(yōu)雅且低成本的解決方案。

與閃存單元中的電子存儲相比，少數(shù)電子損耗會導致可靠性，保留和循環(huán)問題并導致降解，Crossbar的ReRAM單元操作基于非導電層中的金屬絲。橫桿的 ReRAM 縮放不會影響器件性能，并且有可能實現(xiàn)低于 10 nm 的縮放。

性能

在程序操作方面，當前的 MLC/TLC NAND 或 3D NAND 閃存需要大約 600 μs 到 1 ms 的時間來編程 8 到 16 KB 的頁面，對于 4 到 8 MB 的大塊頁面，大約需要 10 ms。

在編程之前，還必須擦除 NAND 閃存。垃圾回收是NAND閃存中數(shù)據(jù)管理的附加層，當存儲空閑時，需要它來正確釋放具有過時數(shù)據(jù)的塊。當垃圾回收在塊之間移動數(shù)據(jù)時收到新請求時，這會產(chǎn)生問題，從而在秒內(nèi)引入長時間且不確定的延遲。因此，SSD 寫入通常包括在 SSD 控制器、NAND 閃存和 DRAM 組件之間多次寫入數(shù)據(jù)，最初是在保存數(shù)據(jù)時寫入數(shù)據(jù)，后來是在多個垃圾回收周期中移動有效數(shù)據(jù)時寫入數(shù)據(jù)。因此，寫入SSD閃存的數(shù)據(jù)比主機系統(tǒng)最初發(fā)出的數(shù)據(jù)要多，這種情況很常見。這種差異被稱為寫入放大（WA）。

WA是不可取的，因為這意味著更多的數(shù)據(jù)被寫入介質，增加磨損，并通過消耗本來會保留給閃存預期功能的操作的帶寬來對性能產(chǎn)生負面影響。這在較小的進程節(jié)點上尤其重要，其中NAND存儲單元的最大周期減少到3，000個程序周期以下。

相反，ReRAM使用位可更改的無擦除操作，與NAND閃存相比，讀取延遲降低了100倍，寫入性能提高了1000倍，而不受構建大塊存儲器陣列的限制。ReRAM執(zhí)行獨立原子操作的能力允許將其構建成更小的頁面（例如，256 B頁面與NAND中的16 KB頁面），每個頁面都可以單獨重新編程。這種類型的體系結構通過刪除通常在垃圾回收期間訪問的大部分后臺內(nèi)存來減輕存儲控制器的負擔。NAND閃存系統(tǒng)的WA分數(shù)通常在三到四個范圍內(nèi)，而ReRAM的特性使WA等于1。這有利于存儲解決方案的讀取和寫入延遲、能耗和生存期。

針對ReRAM優(yōu)化的下一代SSD控制器將能夠更快地更新更小的頁面，進一步減少與NAND相關的后臺存儲器操作，并提供更低，更確定的讀取延遲，約為數(shù)十μs。

能源

減少后臺內(nèi)存操作的數(shù)量可以提高數(shù)據(jù)存儲解決方案的性能和整體耐用性，還可以降低存儲控制器的整體功耗、DRAM 使用率以及數(shù)據(jù)存儲組件消耗的讀寫功耗預算。

密度

高密度ReRAM面臨的一個技術挑戰(zhàn)是潛行（或泄漏）電流。使用具有1個TnR存儲單元陣列的選擇器器件可以緩解這種情況，這使得單個晶體管可以管理大量互連的存儲單元。這可實現(xiàn)高容量固態(tài)存儲。

雖然1 TnR使單個晶體管能夠以低功耗驅動2，000多個存儲單元，但它也會引發(fā)潛行路徑電流的泄漏，從而干擾ReRAM陣列的性能和可靠性。Crossbar的現(xiàn)場輔助超線性閾值器件能夠抑制低于0.1 nA的泄漏電流，并已成功在4 Mb，3D可堆疊無源集成陣列中進行演示。它實現(xiàn)了 10^10 的最高報告選擇性，以及小于 5 mV/dec 的極銳開啟斜率、快速啟動和恢復 （《50 ns）、大于 100 M 循環(huán)耐久性以及低于 300 °C 的加工溫度。

為云和數(shù)據(jù)中心提供更快、更高效的存儲

ReRAM 技術通過更快、更密集和超低延遲的解決方案實現(xiàn)下一代企業(yè)存儲，這些解決方案能夠滿足不斷增長的數(shù)據(jù)需求。隨著能源使用和壽命成為云和數(shù)據(jù)中心環(huán)境中的關鍵總擁有成本（TCO）指標，ReRAM的進步和數(shù)量的增加將繼續(xù)推動ReRAM的價值主張。

審核編輯：郭婷