存儲器是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的重要分支，約占全球半導(dǎo)體市場的四分之一至三分之一。存儲器已經(jīng)形成主要由DRAM與Flash構(gòu)成的超千億美元的市場。盡管存儲器產(chǎn)品品類眾多，但從產(chǎn)品營收貢獻的角度來看，DRAM和Flash(NAND、NOR)的營收占比超95%。
DRAM與Flash雖然在存儲器領(lǐng)域近乎“絕對壟斷”，但是，人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、5G到來，都加速了數(shù)字化浪潮來襲。在這個背景下，數(shù)據(jù)處理的需求量呈指數(shù)級上升，半導(dǎo)體從業(yè)者紛紛加大對存儲技術(shù)的研發(fā)與投資，想實現(xiàn)成本更低、速度更快、效能更好的存儲。
龍頭也有短板
存儲市場中，最常見且被廣泛應(yīng)用的存儲器為DRAM與NAND。近年來隨著半導(dǎo)體制程持續(xù)朝更小的技術(shù)節(jié)點邁進，DRAM與NAND嚴重面臨尺寸微縮挑戰(zhàn)，DRAM目前已接近微縮極限，而NAND則全力朝3D架構(gòu)轉(zhuǎn)型。
此外，隨著數(shù)據(jù)量的爆發(fā)增長，DRAM及NAND在耗電量及數(shù)據(jù)訪問速度上已無法跟上需求的腳步。他們在需要高速運算的應(yīng)用場景中也有一些阻礙。
基于這些原因，下一代存儲技術(shù)為了補位，出現(xiàn)在大家的視野中。
新生代存儲：PCRAM、MRAM、ReRAM
經(jīng)過各個廠商數(shù)十年的不懈努力，下一代存儲已經(jīng)出現(xiàn)了幾位極具潛力的種子選手：PCRAM、磁阻式內(nèi)存MRAM、以及電阻式內(nèi)存ReRAM。這些新興存儲的技術(shù)性能也各有差異。
PCRAM(相變隨機存儲器)
PCRAM是一種利用相變材料作為存儲介質(zhì)，通過相變材料在電流的焦耳熱作用下，在結(jié)晶相態(tài)和非晶相態(tài)之間快速并可逆的轉(zhuǎn)換時，會呈現(xiàn)出的不同電阻率這一特性來實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲的技術(shù)。
與NAND相比，PCRAM在寫入更新代碼之前不需要擦除以前的代碼或數(shù)據(jù)，所以在速度方面，比NAND有優(yōu)勢，讀寫時間較為均衡。然而，PCRAM雖然讀寫速度比NAND有所提高，但冷卻過程會帶來更高功耗。其次，為了使相變材料兼容CMOS工藝，PCRAM必須采取多層結(jié)構(gòu)，因此存儲密度過低，在容量上無法替代NAND。
PCRAM早已逐漸步入產(chǎn)業(yè)化進程。
2006年，英特爾和美光成立IM Flash Technologies，開始合作研發(fā)新的存儲器技術(shù)。2012年，雙方開始合作3D XPoint存儲項目，3D XPoint技術(shù)也是PCRAM的一種。2015年7月，美光和因特爾聯(lián)合發(fā)表了發(fā)表雙方共同研發(fā)的存儲器技術(shù)：3D XPoint存儲器技術(shù)。
MARM(磁性隨機存儲器)
MRAM(磁性隨機存儲器)靠磁場極化而非電荷來存儲數(shù)據(jù)，存儲單元由自由磁層、隧道柵層、固定磁層組成。自由磁層的磁場極化方向可以改變，固定層的磁場方向不變，當自由層與固定層的磁場方向平行時，存儲單元呈現(xiàn)低電阻;反之呈高電阻，通過檢測存儲單元電阻的高低，即可判斷所存數(shù)據(jù)是0還是1。MRAM擁有SRAM的高速讀取寫入能力，以及DRAM的高集成度，而且基本上可以無限次地重復(fù)寫入。
MRAM最大的缺點是存儲單元之間存在干擾，當對目標位進行編程時，非目標位中的自由層很容易被誤編程，尤其是在高密度情況下，相鄰單元間的磁場的交疊會愈加嚴重。
從開始研究到現(xiàn)在，MRAM已經(jīng)有20多年歷史了。
ReRAM(阻變存儲器)
ReRAM(阻變存儲器，也稱憶阻器)是當下最有前景的新型非易失性存儲技術(shù)之一，其器件結(jié)構(gòu)簡單，操作方式簡捷，具有尺寸易于縮小，高速度，低功耗，低成本，易與CMOS工藝兼容等諸多特點。
典型的ReRAM由兩個金屬電極夾一個薄介電層組成，介電層作為離子傳輸和存儲介質(zhì)。在上下電極間施加電壓，中間的阻變層中會形成一條導(dǎo)電通道。通過改變上下電極間的電壓來控制導(dǎo)電通道的狀態(tài)，進而使得存儲器件的電阻值發(fā)生變化。不同的電阻值代表不同的存儲狀態(tài)，即使去掉電極上的電壓信號，電阻值仍然會繼續(xù)保持，因此可以實現(xiàn)非易失性存儲。
ReRAM的單元面積小，讀寫速度是NAND的1000倍，同時功耗可以降低15倍。
ReRAM工藝也更為簡單。以Crossbar為例，Crossbar的ReRAM能夠使用標準的CMOS工藝與設(shè)備，對產(chǎn)線無污染，整體制造成本低，可以很容易地讓半導(dǎo)體代工廠具備ReRAM的生產(chǎn)制造能力，這對于量產(chǎn)和商業(yè)化推動有很大優(yōu)勢。
從密度、能效比、成本、工藝制程和良率各方面綜合衡量，ReRAM存儲器在目前已有的新型存儲器中具備明顯優(yōu)勢。
多點開花的ReRAM應(yīng)用領(lǐng)域
ReRAM的優(yōu)越性能也讓其應(yīng)用也十分廣泛。
AIoT：效能與安全是要義
AIoT主要由微型設(shè)備組成，供電能力弱且需要數(shù)據(jù)實時交互，因此不僅要求存儲器件低功耗，也需要高速度和低延遲。ReRAM在讀寫速度和功耗幾倍到幾百倍的提升，并可實現(xiàn)更高的存儲密度。
AIoT的數(shù)據(jù)要求具備基本的信息安全和隱私保護能力。一些廠商的ReRAM都帶有PUF密鑰，每顆存儲芯片都擁有唯一信任根和唯一主動標識ID，結(jié)合通用密碼算法，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和程序的防復(fù)制和防篡改能力。
人工智能：亟需打破存儲墻
人工智能不斷發(fā)展，對存儲和計算提出了更高的要求。目前計算機還是依然延續(xù)馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，存儲單元和計算單元獨立分開，
現(xiàn)有馮·諾伊曼計算系統(tǒng)采用存儲和運算分離的架構(gòu)，存在“存儲墻”與“功耗墻”瓶頸，嚴重制約系統(tǒng)算力和能效的提升。“能效比低”已經(jīng)成為人工智能芯片的瓶頸問題。
ReRAM可以直接在芯片上集成處理邏輯，從而實現(xiàn)全新的以內(nèi)存為中心的SoC架構(gòu)。ReRAM的優(yōu)越特性有助于解決這些算法所需的性能和能源挑戰(zhàn)。通過減少存儲和計算之間的性能差距。
數(shù)據(jù)中心：高速計算提出更高要求
DRAM讀寫速度很快，但是無法下電保存數(shù)據(jù)，NAND密度高，可以下電保存數(shù)據(jù)，但是讀寫速度延遲高。高速計算、5G、萬物互聯(lián)等應(yīng)用場景正在推動數(shù)據(jù)中心、智能終端的高速增長和轉(zhuǎn)型，對數(shù)據(jù)中心和智能終端提出了性能的更高要求。
通過利用ReRAM密度高、能耗低、讀寫速度快及可下電數(shù)據(jù)保存的特點，能幫助用戶大幅提升數(shù)據(jù)中心性能，降低能耗，達到運營成本的大幅降低。
ReRAM未來前景光明，近幾年，也是ReRAM發(fā)展最關(guān)鍵的時期。在新興的存儲技術(shù)中，ReRAM技術(shù)對于降低存儲器計算的能耗、提高成本效益至關(guān)重要，因而極具發(fā)展前景。然而，要想把握這些機會，真正成為DRAM和NAND的繼任者，ReRAM還有很長的路要走。
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