2017年初，中國本土半導體制造龍頭企業(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，《電子技術應用》記者采訪了Crossbar戰(zhàn)略營銷和業(yè)務發(fā)展副總裁Sylvain Dubois，針對其ReRAM技術的最新發(fā)展動向進行了一些了解和討論。

Crossbar戰(zhàn)略營銷和業(yè)務發(fā)展副總裁Sylvain Dubois

Sylvain Dubois指出，Crossbar的存儲器技術不僅會進入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技術的業(yè)界領導者，申請專利310項，160項已獲批。Sylvain Dubois指出，ReRAM技術能夠很好地填補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就是金屬導電細絲的可變電阻，就是阻性存儲器技術?！?/p>

有向7nm等先進工藝節(jié)點演進的潛力

ReRAM三層架構

ReRAM是基于簡單的上電極、阻性轉換介質和下電極組成的三層架構。而阻性轉換介質的工作機理是，當電壓作用于兩個電極之間時，會形成導電細絲?；诓煌霓D換材料和存儲單元的組織形式，有不同的方法實現(xiàn)ReRAM。轉換材料的不同，器件性能會有重大差異。

Crossbar的ReRAM技術使用了基于硅的轉換材料作為形成金屬導電細絲的宿主。當電壓作用于兩個電極之間時，就會形成納米級導電細絲。因為阻變式轉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：“我們的導電細絲非常小，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技術是基于一種簡單的器件結構，使用與CMOS工藝兼容的材料和標準的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。”

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、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，通過深度學習和深度神經(jīng)網(wǎng)絡的架構，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認為，Crossbar的技術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?！?/p>

ReRAM技術應用領域覆蓋了消費電子、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，在多個目標領域都非常有優(yōu)勢，AI則是Sylvain Dubois認為優(yōu)勢顯著的領域：“AI綜合了IoT、安全、計算各個方面。目前還沒有其他技術可以是現(xiàn)在AI芯片里集成存儲器的解決方案。Crossbar在AI領域會有非常明顯的優(yōu)勢?！?/p>

類ARM式IP授權

Crossbar公司采用IP授權的模式，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，對于設計能力強的公司需要授權是給予授權；對于在技術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計產(chǎn)品。雖然是IP授權，但是我們可以針對不同的公司提供定制化的服務?！?/p>

后記：盡管除了ReRAM之外，3D XPoint 和 STT-MRAM等新的內存技術發(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。