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物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用若要全面普及，勢必需要在人類生活環(huán)境中部署大規(guī)模傳感器等基礎(chǔ)設(shè)施，這些設(shè)備若能擁有愈長的電池續(xù)航力當(dāng)屬愈好，一來可節(jié)省維護成本、二來有助提高物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施可持續(xù)性。

現(xiàn)階段業(yè)界也在尋找可大幅降低物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能源消耗的辦法，為此業(yè)界發(fā)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)芯片中內(nèi)嵌“可變電阻式內(nèi)存”(ReRAM)，有助達成此一節(jié)能目標。

據(jù)Embedded Computing Design網(wǎng)站報導(dǎo)，若要達到物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的能源采用要求，需要導(dǎo)入各式節(jié)能策略，即使多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計成可休眠或待命的模式，但再怎么說物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備仍有一定比例時間在運作，因此如何節(jié)能仍是一大技術(shù)重點。

其中嵌入式內(nèi)存在協(xié)助物聯(lián)網(wǎng)芯片節(jié)能上便扮演要角，因具備低功耗及低電壓操作、單體IC、快速讀寫時間、非揮發(fā)性以及高容量等有助提升物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能源效率的優(yōu)勢。

實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵 ReRAM的現(xiàn)狀及未來解讀

什么是ReRAM

ReRAM不同于傳統(tǒng)Flash內(nèi)存技術(shù)，ReRAM內(nèi)存是以字節(jié)進行尋址，能以小型頁(page)進行建構(gòu)，因此ReRAM能夠獨立抹除及再寫入，能夠大幅簡化儲存控制器的復(fù)雜性。

ReRAM儲存單元通常在兩個金屬電極之間部署一個切換材料，當(dāng)施加電壓時該材料能夠顯現(xiàn)出不同的阻力特性，該切換材料及內(nèi)存儲存單元如何進行組構(gòu)，就成為決定ReRAM節(jié)電性的關(guān)鍵。該切換材料為燈絲奈米粒子(Filamentary nanoparticle)，以及不具導(dǎo)電性的非晶硅(a-Si)這類簡易CMOS兼容性材料。

例如Crossbar ReRAM技術(shù)，是基于采用對CMOS友善的材料及標準CMOS制程的簡易兩個終端設(shè)備結(jié)構(gòu)所開發(fā)，能夠輕易與CMOS邏輯電路進行整合，且能夠以現(xiàn)有CMOS廠房生產(chǎn)，無需采特殊的設(shè)備或材料。

借助低溫BEOL制程，可將多層ReRAM數(shù)組整合至CMOS晶圓之上，用以打造系統(tǒng)單芯片(SoC)及其他擁有大量3D單片內(nèi)嵌式RRAM儲存的芯片產(chǎn)品。因此相較于傳統(tǒng)Flash內(nèi)存，ReRAM具備節(jié)能、延長壽命及讀寫延遲等顯著優(yōu)勢。

在程序化效能及功耗表現(xiàn)上，ReRAM每儲存單位程序化能耗為64皮焦耳(pJ)，比傳統(tǒng)NAND Flash表現(xiàn)好上2成以上。另外更低且更可預(yù)測的讀寫延遲，也有助借助縮短編碼獲取或數(shù)據(jù)串流的時間，達到減少能耗的效果。

在系統(tǒng)層次，若能在SoC中內(nèi)建儲存內(nèi)存，也有助透過減少或省去對外部內(nèi)存的近用，在更無需I/O操作下達到節(jié)能功效。值得注意的是，ReRAM技術(shù)是采用一項基于電場的切換機制，因此可創(chuàng)造高度可靠性及在較廣泛不同溫度情況下的高穩(wěn)定表現(xiàn)。

基于ReRAM能夠內(nèi)建于SoC、邏輯芯片、模擬芯片及射頻(RF)芯片等各類可能的物聯(lián)網(wǎng)芯片技術(shù)領(lǐng)域，將有助延長物聯(lián)網(wǎng)芯片續(xù)航力達數(shù)年都無需更換電池或整顆芯片的程度。除了節(jié)能外，ReRAM也具備制程及成本效益、高穩(wěn)定及可靠性，以及單片IC整合至單芯片物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)解決方案的效益及技術(shù)優(yōu)勢。

ReRAM目前發(fā)展情況

以紫光為代表的中國公司正在斥資數(shù)百億美元投入NAND、DRAM等等存儲芯片市場，2018年將推出國產(chǎn)3D NAND閃存，意圖實現(xiàn)國家要求的芯片自給率要求。不過在NAND領(lǐng)域，中國公司研發(fā)、生產(chǎn)已經(jīng)晚了20多年，更大的希望還是在在新一代存儲技術(shù)上。

2016年3月，Crossbar公司宣布與中芯國際達成合作，發(fā)力中國市場。其中，中芯國際將采用自家的40nm CMOS試產(chǎn)ReRAM芯片。2017年1月，兩者合作的結(jié)晶終于誕生，中芯國際正式出樣40nm工藝的ReRAM芯片。

另外，按計劃更先進的28nm工藝ReRAM芯片也將在2017年上半年問世。

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ReRAM戰(zhàn)場的另一家技術(shù)大牛是Nantero公司，他們的技術(shù)基于碳納米層矩陣。其已經(jīng)將技術(shù)授權(quán)給無晶圓廠芯片公司富士通（Fujitsu）半導(dǎo)體，并且交給代工廠Mie Fujitsu半導(dǎo)體用55nm和40nm工藝跟進。

此外，致力于商業(yè)化ReRAM的企業(yè)包括東芝、Elpida、索尼、松下、美光、海力士、富士通、Crossbar等。

東芝憑借其類似于今天1.5萬轉(zhuǎn)硬盤的固態(tài)硬盤，開始涉足這些高端市場。這可能不是一個巨大的市場，但是其高利潤率還是值得一試的。

其他廠商，包括松下、美光和三星，也正在致力于ReRAM的研發(fā)。

其實，美光早在2007年就提出了這種技術(shù)，此后幾乎每年都會透露一些進展，但就是距離量產(chǎn)遙遙無期。美光是和索尼聯(lián)合研發(fā)ReRAM的，其基本原理和Crossbar RRAM有些類似，同樣是非易失性存儲，但是更強調(diào)電阻可變，同時為了區(qū)分，縮寫也有所不同。

ReRAM的未來

在可預(yù)見的未來，NAND閃存將保留在成本和密度上的優(yōu)勢，這意味著它仍將在未來幾十年存活下去。那么ReRAM在存儲應(yīng)用中要如何定位呢？

數(shù)據(jù)完整性：關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用更喜歡ReRAM，而且關(guān)鍵是買得起；

性能：固態(tài)硬盤這種高速存儲介質(zhì)消除了復(fù)雜性并提高了性能；

移動性：網(wǎng)絡(luò)寬帶和內(nèi)存容量之間進行著一場永無止境的拉鋸戰(zhàn)，在這種情況下，消費者可能會喜歡上他們移動設(shè)備的大容量存儲。如果是這樣， ReRAM節(jié)能的優(yōu)點將在高端產(chǎn)品有所體現(xiàn)。

有鑒于未來幾年全球物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用可望持續(xù)蓬勃起飛，若未來ReRAM技術(shù)成為全球物聯(lián)網(wǎng)芯片主流內(nèi)存解決方案，將有助除去運算與數(shù)據(jù)儲存之間的界線，有利于以數(shù)據(jù)為中心的運算架構(gòu)發(fā)展。