嵌入式ReRAM时代即将到来！

笔者刚和Weebit Nano同事聊了聊他们的嵌入式ReRAM(电阻式随机访问内存)技术，该技术可能会跃上NVM(非易失性内存)的中心舞台。

计算机内存可以用来存储程序和数据，我们先简要介绍一下多年来出现的各种计算机内存。在19世纪初，有一位名叫 Joseph-Marie Jacquard的法国丝绸织布工发明了一种方法，通过记录一串卡片上孔的模式，自动控制丝织机上的经线和纬线。后来在1837年，英国数学家和发明家Charles Babbage构思了“差分机”，虽然这台机器从未完成，但它打算使用雅卡尔的穿孔卡片来控制机械自动计算。该计算器采用了现代计算机中使用的几个特点，包括顺序控制、分支和循环等。

Jacquard的穿孔卡片没过多久就被穿孔纸制品所取代，包括穿孔纸带。1857年，英国物理学家和发明家Charles Wheatstone爵士首次采用纸带作为介质，以莫尔斯电报信息的形式进行数据的准备、存储和传输。传出消息可以在纸带上脱机准备，稍后再传送。

第二次世界大战结束后，人们发现德国在战争开始前制造了一台名为Z1的成熟计算机。Z1的发明者是德国工程师Konrad Zuse(1910-1995)。令人惊讶的是，Zuse对任何相关工作都一无所知，包括布尔代数和巴贝奇引擎，他从头开始发明了一切。这台纯机械计算机包含大约3万个部件，在当时是非常复杂的。Z1采用了基于半对数表示的二进制浮点系统，使其适合于广泛的工程和科学应用。Z1可以自由编程，因为它可以从穿孔纸带上读取任意的指令序列；它拥有一个机械的主存储器，由64个word组成，每个word包含一个22位的浮点值。

早期基于继电器的计算机使用继电器来实现内存，这在成本和大小方面有很多限制。以20世纪40年代早期的哈佛马克1号为例，它的内存只能存储72个数字，每个数字有23位。类似地，早期基于真空管的计算机使用电子管来实现内存，却又增加了可靠性问题。

大约在20世纪40年代中期，各种存储技术开始涌现，包括水银延迟线，它是由两端装有石英晶体的含有水银的细管组成。对石英晶体施加电流会使它振动；同样，振动石英晶体会产生电流。这些延迟线的工作方式是将一系列脉冲写入到细管的一端，从另一端读取它们，然后再将它们反馈到起点；在指定时间内脉冲的缺失或存在分别表示0和1。虽然这看起来有点复杂，但1000位可以存储在5英尺长的延迟线上，这提供了比继电器或真空管更高的存储密度。

延迟线的一个最大问题是顺序传输，不像RAM那样可以随时访问任何感兴趣的数据。从1955年到1975年，RAM主要是磁芯存储器；是用一种坚硬的铁磁材料制成小甜甜圈形状的核心，然后穿在细电线上，每个核心有三到四根电线穿过。脉冲电流将每个磁芯磁化，从而代表0或1；相关脉冲可以用来将数据从存储器中读出。 

32 x 32存储体，存储1024位数据；在栅极线交叉处的小黑环，组织成四个正方形，是铁氧体磁芯

磁芯存储器的伟大之处在于它的非易失性，但它使用了“破坏性读取”，这意味着读取一个单元会导致该单元中的所有位都被设为0。因此，控制器必须确保每次读操作之后都要立即进行写操作，以重新加载所选单元。

另一种基于磁的内存实现是气泡内存，出现在20世纪60年代末和70年代初。磁性材料的薄膜被用来保存小的磁化区域，称为气泡域，每个区域存储一位数据。

接下来到了半导体存储器。第一个是由德州仪器在20世纪60年代早期用离散双极结晶体管制造的；然后是ROM、PROM、EPROM、EEPROM和Flash形式的非易失性存储，以及SRAM、DRAM等易失性存储。

每种存储类型都有其优缺点。比如，在一个典型PC中，CPU将使用一个相对低容量、高速、大功率的SRAM作为其缓存，而主板将包括一个相对高速、高容量、低功耗DRAM。同时，大容量存储可能由Flash形式的固态硬盘(SSD)提供。

类似地，一个典型的MCU可能包含Flash、SRAM、EEPROM等。具有最大擦写次数的非易失性Flash用于存储程序，而具有无限擦写次数的易失性SRAM用于程序运行时创建、存储和操作变量。Flash有个问题：为了写入新数据，必须一次擦除数千个字节。如果正在加载一个完整的新程序，那这不会成为问题，但如果仅存储几个字节的数据，那将十分痛苦。所以，一般MCU还会包括少量的非易失性EEPROM(电可擦可编程只读存储器)，可以在其中存储适当数量的长期有效信息，例如配置设置或传感器读数等。

说到嵌入式非易失性存储（简称NVM）时，Flash是很好的选择，但不是唯一选择。其他NVM竞争者包括磁阻RAM (MRAM，在磁域中存储数据)和相变存储器(PCM或PCRAM，通过在非晶态和晶态之间改变来存储数据)。

还有一种NVM——电阻RAM(ReRAM)，它通过改变介质固态材料的电阻来存储数据。一个简单的1T1R(一个晶体管，一个电阻) ReRAM单元结构如下图所示:

电阻部分将被构建在任何两个相邻的金属化层之间。当设备被制造出来时，存储单元处于初始状态，理论上有无限电阻。置位存储单元对应CF（conductive filament）创建，该单元将处于低电阻状态(LRS)，其电阻< 10kΩ表示逻辑1；复位(擦除) 存储单元会导致CF的部分溶解，因此该单元会处于高电阻状态(HRS)，电阻>1 MΩ表示逻辑0。

需要强调的是，这里我们讨论的是嵌入式NVM——也就是说，将NVM创建为像MCU一样的设备——而不是像SSD中使用的离散Flash设备那样的批量NVM。这一点很重要，嵌入式Flash在40nm以下的工艺节点上已经开始出现问题，而ReRAM没有这个限制，可以在28nm及以下(有路线图到10nm)节点上继续工作。

下面是一张对比图，显示了Weebit Nano的ReRAM与PCM、MRAM和Embedded Flash技术之间的对比(数据来源是Global Foundries、TSMC、Yole和公司数据)。

可以看到，嵌入式Flash需要10~12V的写入电压，写入时间大约10µs，并且不具有位/字节可寻址性；相比之下，ReRAM只需要2~3V的写电压(读电压只有0.5V)，写时间为100ns，并且是位/字节可寻址的。当访问数据时，ReRAM的读时间是10 ns，而嵌入式Flash的读时间是20 ns。此外，嵌入式Flash的写/擦除次数为10³到10⁴，而ReRAM将其提高到10⁵到10⁶，而且在150°C下的数据retention时间长达10年之久，ReRAM性能看起来还是相当惊艳的。

嵌入式Flash需要一些时间从深度睡眠模式中“唤醒”；相比之下，ReRam是“即时启动”。这对于某些应用程序来说也可能成为一个关注点。

此外，将嵌入式Flash添加到一个设备需要大约10个额外的掩模步骤，并且涉及到前端制程，包含嵌入式Flash将使晶圆成本增加约20%至25%。相比之下，WeebitNano的ReREM只需要两个额外的掩模步骤，使用的是工厂友好型材料和标准工具，这些步骤在添加金属化层时作为后端制程的一部分，使用ReRAM只会将晶圆成本增加5%到8%。

最后，另一项需要注意的是表中的“环境容忍度”，可以看到PCM对温度敏感，MRAM对电磁噪声敏感，Flash对辐射影响敏感。相比之下，ReRAM对所有这些环境条件都有耐受性。

Weebit Nano最近宣布，他们已经完成了嵌入式ReRAM模块的设计和验证阶段，包括128Kb的ReRAM阵列、控制逻辑、解码器、IOs和纠错，并制造了一个集成该模块的测试芯片。这个测试芯片还包括一个RISC-V MCU、SRAM、系统接口和外围设备，将在客户生产之前作为测试验证的最终平台。