2017年初，中國本土半導(dǎo)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(chǔ)器）芯片，ReRAM存儲(chǔ)技術(shù)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(shí)上，在2016年3月 Crossbar進(jìn)軍中國市場時(shí)，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(chǔ)器的市場到底有多重要？縱觀整個(gè)科技行業(yè)，存儲(chǔ)未來成長空間依然很大，5G時(shí)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(chǔ)。獨(dú)立存儲(chǔ)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(chǔ)器的邏輯電路則有著1350億的市場規(guī)模。而中國市場，存儲(chǔ)器的規(guī)模有200億，成為各大存儲(chǔ)廠家爭相搶占的一個(gè)市場。
近期，《電子技術(shù)應(yīng)用》記者采訪了Crossbar戰(zhàn)略營銷和業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁Sylvain Dubois，針對其ReRAM技術(shù)的最新發(fā)展動(dòng)向進(jìn)行了一些了解和討論。
Crossbar戰(zhàn)略營銷和業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁Sylvain Dubois
Sylvain Dubois指出，Crossbar的存儲(chǔ)器技術(shù)不僅會(huì)進(jìn)入950億美元的獨(dú)立存儲(chǔ)器的市場，也會(huì)進(jìn)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(shù)的業(yè)界領(lǐng)導(dǎo)者，申請專利310項(xiàng)，160項(xiàng)已獲批。Sylvain Dubois指出，ReRAM技術(shù)能夠很好地填補(bǔ)DRAM與閃存SSD之間的延遲差距：“我們的戰(zhàn)略是從填補(bǔ)這個(gè)差距來進(jìn)入。我們擁有一個(gè)非常獨(dú)特的技術(shù)就是金屬導(dǎo)電細(xì)絲的可變電阻，就是阻性存儲(chǔ)器技術(shù)?！?/p>
有向7nm等先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)演進(jìn)的潛力
ReRAM三層架構(gòu)
ReRAM是基于簡單的上電極、阻性轉(zhuǎn)換介質(zhì)和下電極組成的三層架構(gòu)。而阻性轉(zhuǎn)換介質(zhì)的工作機(jī)理是，當(dāng)電壓作用于兩個(gè)電極之間時(shí)，會(huì)形成導(dǎo)電細(xì)絲。基于不同的轉(zhuǎn)換材料和存儲(chǔ)單元的組織形式，有不同的方法實(shí)現(xiàn)ReRAM。轉(zhuǎn)換材料的不同，器件性能會(huì)有重大差異。
Crossbar的ReRAM技術(shù)使用了基于硅的轉(zhuǎn)換材料作為形成金屬導(dǎo)電細(xì)絲的宿主。當(dāng)電壓作用于兩個(gè)電極之間時(shí)，就會(huì)形成納米級導(dǎo)電細(xì)絲。因?yàn)樽枳兪睫D(zhuǎn)換的機(jī)理是基于電場的，Crossbar的ReRAM存儲(chǔ)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(dǎo)電細(xì)絲非常小，直徑在5nm以下。在工藝節(jié)點(diǎn)的演進(jìn)上，目前我們在40nm量產(chǎn)，因?yàn)樗募夹g(shù)的獨(dú)特性，它可以一直微縮到7nm。ReRAM不像閃存，它可以一直向先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)演進(jìn)。而且可以垂直地進(jìn)行3D的堆疊，從而為在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)TB級的存儲(chǔ)能力鋪平了道路。”
比Flash閃存提升100倍讀性能和1000倍的寫性能
Crossbar的ReRAM技術(shù)是基于一種簡單的器件結(jié)構(gòu)，使用與CMOS工藝兼容的材料和標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行集成，多層Crossbar ReRAM陣列可以在CMOS邏輯晶圓上部進(jìn)行集成，從而構(gòu)建3D ReRAM存儲(chǔ)芯片。
Sylvain Dubois解釋到：“因?yàn)榕cCMOS的邏輯電路完全兼容，所以它的一個(gè)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(chǔ)器的代工廠生產(chǎn)，可以作為一個(gè)單獨(dú)的存儲(chǔ)器取代目前流行的NAND Flash，在SSD里會(huì)有大量的NAND Flash去實(shí)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(zhuǎn)、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(gòu)從而減小讀寫延遲、降低能耗、提升存儲(chǔ)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(shù)，通過深度學(xué)習(xí)和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，去提取不同的特征，通過矩陣的形式來實(shí)現(xiàn)特征的識(shí)別，如：人臉識(shí)別、語音識(shí)別、模式識(shí)別等方面。
以卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為例，卷積的運(yùn)算占到90%~99%，需要不同的濾波器對輸入圖象的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)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(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(shí)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(gòu)會(huì)有很多memory的訪問操作，延遲會(huì)很大，同時(shí)會(huì)消耗很多能量。Sylvain Dubois認(rèn)為，Crossbar的技術(shù)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(shí)現(xiàn)，可以不需要外部的DRAM來存儲(chǔ)大量的模型數(shù)據(jù)，內(nèi)部的SRAM也可以減到最小。因?yàn)檎麄€(gè)模型參數(shù)都會(huì)放在ReRAM里，ReRAM的數(shù)據(jù)直接參與計(jì)算， ReRAM在片上，和處理器非常近，能耗會(huì)很低，性能會(huì)很好?！?Sylvain Dubois 介紹到，“還帶來一個(gè)額外的好處就是安全性非常好，因?yàn)檫@個(gè)模型實(shí)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。”
ReRAM技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋了消費(fèi)電子、企業(yè)存儲(chǔ)、物聯(lián)網(wǎng)、安全支付等電子行業(yè)的方方面面，在多個(gè)目標(biāo)領(lǐng)域都非常有優(yōu)勢，AI則是Sylvain Dubois認(rèn)為優(yōu)勢顯著的領(lǐng)域：“AI綜合了IoT、安全、計(jì)算各個(gè)方面。目前還沒有其他技術(shù)可以是現(xiàn)在AI芯片里集成存儲(chǔ)器的解決方案。Crossbar在AI領(lǐng)域會(huì)有非常明顯的優(yōu)勢。”
類ARM式IP授權(quán)
Crossbar公司采用IP授權(quán)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(wù)，對于設(shè)計(jì)能力強(qiáng)的公司需要授權(quán)是給予授權(quán)；對于在技術(shù)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(shè)計(jì)產(chǎn)品。雖然是IP授權(quán)，但是我們可以針對不同的公司提供定制化的服務(wù)?！?/p>
后記：盡管除了ReRAM之外，3D XPoint 和 STT-MRAM等新的內(nèi)存技術(shù)發(fā)展勢頭都不錯(cuò)，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(jìn)入到量產(chǎn)的階段，進(jìn)展相對而言是比較快的，在AI迅速發(fā)展需求的推動(dòng)下，ReRAM有望利用自身優(yōu)勢在市場上首先分得一杯羹。