嵌入式ReRAM時代即將到來！

筆者剛和Weebit Nano同事聊了聊他們的嵌入式ReRAM(電阻式隨機訪問內存)技術，該技術可能會躍上NVM(非易失性內存)的中心舞臺。

計算機內存可以用來存儲程序和數據，我們先簡要介紹一下多年來出現的各種計算機內存。在19世紀初，有一位名叫 Joseph-Marie Jacquard的法國絲綢織布工發明了一種方法，通過記錄一串卡片上孔的模式，自動控制絲織機上的經線和緯線。后來在1837年，英國數學家和發明家Charles Babbage構思了“差分機”，雖然這臺機器從未完成，但它打算使用雅卡爾的穿孔卡片來控制機械自動計算。該計算器采用了現代計算機中使用的幾個特點，包括順序控制、分支和循環等。

Jacquard的穿孔卡片沒過多久就被穿孔紙制品所取代，包括穿孔紙帶。1857年，英國物理學家和發明家Charles Wheatstone爵士首次采用紙帶作為介質，以莫爾斯電報信息的形式進行數據的準備、存儲和傳輸。傳出消息可以在紙帶上脫機準備，稍后再傳送。

第二次世界大戰結束后，人們發現德國在戰爭開始前制造了一臺名為Z1的成熟計算機。Z1的發明者是德國工程師Konrad Zuse(1910-1995)。令人驚訝的是，Zuse對任何相關工作都一無所知，包括布爾代數和巴貝奇引擎，他從頭開始發明了一切。這臺純機械計算機包含大約3萬個部件，在當時是非常復雜的。Z1采用了基于半對數表示的二進制浮點系統，使其適合于廣泛的工程和科學應用。Z1可以自由編程，因為它可以從穿孔紙帶上讀取任意的指令序列；它擁有一個機械的主存儲器，由64個word組成，每個word包含一個22位的浮點值。

早期基于繼電器的計算機使用繼電器來實現內存，這在成本和大小方面有很多限制。以20世紀40年代早期的哈佛馬克1號為例，它的內存只能存儲72個數字，每個數字有23位。類似地，早期基于真空管的計算機使用電子管來實現內存，卻又增加了可靠性問題。

大約在20世紀40年代中期，各種存儲技術開始涌現，包括水銀延遲線，它是由兩端裝有石英晶體的含有水銀的細管組成。對石英晶體施加電流會使它振動；同樣，振動石英晶體會產生電流。這些延遲線的工作方式是將一系列脈沖寫入到細管的一端，從另一端讀取它們，然后再將它們反饋到起點；在指定時間內脈沖的缺失或存在分別表示0和1。雖然這看起來有點復雜，但1000位可以存儲在5英尺長的延遲線上，這提供了比繼電器或真空管更高的存儲密度。

延遲線的一個最大問題是順序傳輸，不像RAM那樣可以隨時訪問任何感興趣的數據。從1955年到1975年，RAM主要是磁芯存儲器；是用一種堅硬的鐵磁材料制成小甜甜圈形狀的核心，然后穿在細電線上，每個核心有三到四根電線穿過。脈沖電流將每個磁芯磁化，從而代表0或1；相關脈沖可以用來將數據從存儲器中讀出。 

32 x 32存儲體，存儲1024位數據；在柵極線交叉處的小黑環，組織成四個正方形，是鐵氧體磁芯

磁芯存儲器的偉大之處在于它的非易失性，但它使用了“破壞性讀取”，這意味著讀取一個單元會導致該單元中的所有位都被設為0。因此，控制器必須確保每次讀操作之后都要立即進行寫操作，以重新加載所選單元。

另一種基于磁的內存實現是氣泡內存，出現在20世紀60年代末和70年代初。磁性材料的薄膜被用來保存小的磁化區域，稱為氣泡域，每個區域存儲一位數據。

接下來到了半導體存儲器。第一個是由德州儀器在20世紀60年代早期用離散雙極結晶體管制造的；然后是ROM、PROM、EPROM、EEPROM和Flash形式的非易失性存儲，以及SRAM、DRAM等易失性存儲。

每種存儲類型都有其優缺點。比如，在一個典型PC中，CPU將使用一個相對低容量、高速、大功率的SRAM作為其緩存，而主板將包括一個相對高速、高容量、低功耗DRAM。同時，大容量存儲可能由Flash形式的固態硬盤(SSD)提供。

類似地，一個典型的MCU可能包含Flash、SRAM、EEPROM等。具有最大擦寫次數的非易失性Flash用于存儲程序，而具有無限擦寫次數的易失性SRAM用于程序運行時創建、存儲和操作變量。Flash有個問題：為了寫入新數據，必須一次擦除數千個字節。如果正在加載一個完整的新程序，那這不會成為問題，但如果僅存儲幾個字節的數據，那將十分痛苦。所以，一般MCU還會包括少量的非易失性EEPROM(電可擦可編程只讀存儲器)，可以在其中存儲適當數量的長期有效信息，例如配置設置或傳感器讀數等。

說到嵌入式非易失性存儲（簡稱NVM）時，Flash是很好的選擇，但不是唯一選擇。其他NVM競爭者包括磁阻RAM (MRAM，在磁域中存儲數據)和相變存儲器(PCM或PCRAM，通過在非晶態和晶態之間改變來存儲數據)。

還有一種NVM——電阻RAM(ReRAM)，它通過改變介質固態材料的電阻來存儲數據。一個簡單的1T1R(一個晶體管，一個電阻) ReRAM單元結構如下圖所示:

電阻部分將被構建在任何兩個相鄰的金屬化層之間。當設備被制造出來時，存儲單元處于初始狀態，理論上有無限電阻。置位存儲單元對應CF（conductive filament）創建，該單元將處于低電阻狀態(LRS)，其電阻< 10kΩ表示邏輯1；復位(擦除) 存儲單元會導致CF的部分溶解，因此該單元會處于高電阻狀態(HRS)，電阻>1 MΩ表示邏輯0。

需要強調的是，這里我們討論的是嵌入式NVM——也就是說，將NVM創建為像MCU一樣的設備——而不是像SSD中使用的離散Flash設備那樣的批量NVM。這一點很重要，嵌入式Flash在40nm以下的工藝節點上已經開始出現問題，而ReRAM沒有這個限制，可以在28nm及以下(有路線圖到10nm)節點上繼續工作。

下面是一張對比圖，顯示了Weebit Nano的ReRAM與PCM、MRAM和Embedded Flash技術之間的對比(數據來源是Global Foundries、TSMC、Yole和公司數據)。

可以看到，嵌入式Flash需要10~12V的寫入電壓，寫入時間大約10μs，并且不具有位/字節可尋址性；相比之下，ReRAM只需要2~3V的寫電壓(讀電壓只有0.5V)，寫時間為100ns，并且是位/字節可尋址的。當訪問數據時，ReRAM的讀時間是10 ns，而嵌入式Flash的讀時間是20 ns。此外，嵌入式Flash的寫/擦除次數為10³到10⁴，而ReRAM將其提高到10⁵到10⁶，而且在150°C下的數據retention時間長達10年之久，ReRAM性能看起來還是相當驚艷的。

嵌入式Flash需要一些時間從深度睡眠模式中“喚醒”；相比之下，ReRam是“即時啟動”。這對于某些應用程序來說也可能成為一個關注點。

此外，將嵌入式Flash添加到一個設備需要大約10個額外的掩模步驟，并且涉及到前端制程，包含嵌入式Flash將使晶圓成本增加約20%至25%。相比之下，WeebitNano的ReREM只需要兩個額外的掩模步驟，使用的是工廠友好型材料和標準工具，這些步驟在添加金屬化層時作為后端制程的一部分，使用ReRAM只會將晶圓成本增加5%到8%。

最后，另一項需要注意的是表中的“環境容忍度”，可以看到PCM對溫度敏感，MRAM對電磁噪聲敏感，Flash對輻射影響敏感。相比之下，ReRAM對所有這些環境條件都有耐受性。

Weebit Nano最近宣布，他們已經完成了嵌入式ReRAM模塊的設計和驗證階段，包括128Kb的ReRAM陣列、控制邏輯、解碼器、IOs和糾錯，并制造了一個集成該模塊的測試芯片。這個測試芯片還包括一個RISC-V MCU、SRAM、系統接口和外圍設備，將在客戶生產之前作為測試驗證的最終平臺。