简论ReRAM的崛起与其在未来半导体市场的前景

叫我兔兔酱 存内计算先锋 2024-02-18 19:48:01

随着计算机技术的不断发展,基于冯·诺依曼架构的计算已经成为半导体技术的核心。然而,传统存储与计算的方式在面对不断增长的数据量和对性能的需求时已经显现出瓶颈,被形象地称为“内存墙”。为了克服这一障碍,业界开始着手开发各种新型技术,涉及高速接口、高带宽存储、缓存增强等方面。其中,存内计算(in-memory computing)作为一种解决方案逐渐受到重视,被认为是突破内存墙的关键。本文将探讨新兴的非易失性内存技术(如ReRAM)在此领域的发展,并分析其在未来半导体市场的前景。

内存墙的挑战与存内计算的兴起

传统的冯·诺依曼架构中,CPU 和内存之间的数据传输速度已经成为性能瓶颈。随着数据量的不断增长,内存墙问题变得尤为突出。虽然CPU性能不断提升,但内存的速度增长却相对缓慢,导致数据处理的瓶颈。

存内计算被认为是突破内存墙的有效方式。该技术通过消除CPU与内存之间的瓶颈,将计算任务直接放置在内存中执行,从而提高了数据处理的效率。存内计算的概念源自上世纪60年代,但直到最近才得以实现。

ReRAM 技术概述

ReRAM(电阻式随机存取存储器)是一种新型的非易失性内存技术,受到了广泛关注。它利用电阻变化来存储数据,具有快速读写速度、低功耗等优点。ReRAM的发展为存内计算提供了重要支持。

ReRAM 的工作原理 

ReRAM技术的工作原理是基于电阻变化的。在ReRAM中,通过在存储介质中形成或破坏电子导通路径,实现数据的读写操作。最常见的ReRAM结构包括氧化物RAM(OxRAM)和导通桥RAM(CBRAM)等。在OxRAM中,金属氧化物被夹在两个电极之间,当在顶部电极上施加正电压时,会在两个电极之间形成导通路径。而在CBRAM中,通过在硅中注入金属,形成导通桥,实现数据的存储和读取。

ReRAM技术相对于传统的存储器技术具有许多优势。首先,它具有快速的读写速度,能够在纳秒级别内完成数据的读写操作。其次,ReRAM的功耗较低,能够降低系统的能耗,延长设备的续航时间。此外,由于ReRAM是一种非易失性存储器,即使在断电情况下也能保持数据的存储,具有良好的数据保护性能。

尽管ReRAM技术具有诸多优点,如快速读写、低功耗等,但也面临着一些挑战。例如,ReRAM存在一定的内在变异性,可能影响其在某些场景下的稳定性和可靠性。此外,与其他存储技术相比,ReRAM的成本和生产工艺仍然需要进一步改进。

 ReRAM 电阻

IBM 首席研究科学家 Takashi Ando 表示:“ReRAM 面临的根本挑战是它比其他材料的噪音更大。” “在氧化物 ReRAM 中,我们以随机方式移动氧空位。在 CBRAM 中,我们以随机方式使用阳离子。设备的操作存在一定的随机性,并且伴随着高噪声,因此固有噪声水平是最大的挑战,但与 MRAM 或其他存储器相比,对外部刺激的免疫力更强。”

不应低估噪音的影响。“ReRAM 的最大问题是其在单单元级别的固有可变性(噪声),”Synopsys 的 Lin 说。“从一个转换周期到另一个转换周期的电阻变化可能与细胞群的电阻变化一样大。对于基于丝状开关的ReRAM,例如OxRAM和CBRAM,电阻值由在高电场和/或高局部温度下在丝尖端周围移动的少量氧空位或金属原子控制。这个过程本质上是随机的,几个原子或空位就可以产生很大的影响。所以噪声是固有的。增加开关电流可能会在一定程度上减轻可变性,但代价是功耗。”

市场前景与趋势

汽车领域对存储器的需求日益增长,特别是在自动驾驶和车载娱乐系统方面。传统的闪存存储器已经难以满足高性能、低功耗的要求,而ReRAM技术的出现为汽车电子系统带来了新的解决方案。例如,一些汽车芯片已经开始采用ReRAM作为嵌入式存储器,以提高数据处理速度和系统性能。

随着汽车电子、物联网等领域的不断发展,对高性能、低功耗的存储器需求将持续增长。预计ReRAM技术在未来几年内将逐渐取代传统的闪存和DRAM,成为新一代非易失性内存的主流技术之一。同时,随着技术的不断进步,ReRAM在其他领域的应用也将得到拓展,为半导体产业带来新的发展机遇。

结论

ReRAM作为一种新型非易失性内存技术,在突破内存墙、提高数据处理效率方面具有巨大潜力。随着对高性能、低功耗存储器需求的不断增长,ReRAM有望成为未来半导体市场的重要技术之一。然而,要实现其在市场上的广泛应用,仍需要进一步的研发和改进,以满足不同应用场景的需求。

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