新形ReRAM存儲(chǔ)器帶來(lái)低能耗設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)(IoT)通過廣泛的應(yīng)用，如智能家庭，智能樓宇，智能工廠以及智慧城市，將所有的設(shè)備和人們彼此互聯(lián)互通，因而具備了驅(qū)動(dòng)價(jià)值數(shù)萬(wàn)億美金應(yīng)用的巨大潛力。摩爾定律在開創(chuàng)更快速、更小巧、更低廉的設(shè)備方面仍然發(fā)揮著作用。其它先進(jìn)技術(shù)，諸如可以將各種微小的傳感器和基于云端應(yīng)用互聯(lián)的低功耗、低成本的通信系統(tǒng)，開創(chuàng)了從信息共享方式中收獲頗豐的新型商業(yè)模式。然而，這也面臨著諸多障礙。

克服下一代物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的高能耗操作帶來(lái)的障礙

更多的互聯(lián)設(shè)備在每一秒中都創(chuàng)建了更多的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)，被處理，被上傳，被共享。包括了溫度、壓力、方向、速度、重量、步伐、心跳、亮度等等大量的傳感器，將會(huì)產(chǎn)生潮水般的信息。這些信息等待著被傳送。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的能耗預(yù)算極其有限。而不間斷的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸是一種高能耗的操作。它要消耗遠(yuǎn)大于依賴電池供電應(yīng)用系統(tǒng)所允許的能量。

下一代物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將會(huì)是低成本、高集成度的系統(tǒng)。這會(huì)需要具備更多功能的專用SoC。這其中絕大多數(shù)將會(huì)在單一電池供電甚或是從環(huán)境中供電的條件下，運(yùn)行5到10年。這在諸如大面積部署于城市間的智能傳感器應(yīng)用場(chǎng)景下的遠(yuǎn)程應(yīng)用中尤為關(guān)鍵。常規(guī)的電池充電幾乎沒有可能也不經(jīng)濟(jì)。

為了滿足能耗預(yù)算，必須采取一些節(jié)能策略。很多設(shè)備被設(shè)計(jì)成在絕大部分時(shí)間里是處在待機(jī)狀態(tài)或其它節(jié)能狀態(tài)。它們只在執(zhí)行某些必要功能時(shí)被激活。設(shè)計(jì)者不僅會(huì)尋求盡可能少量地發(fā)送數(shù)據(jù)，而且會(huì)盡量降低發(fā)送數(shù)據(jù)的頻次和持續(xù)時(shí)間來(lái)節(jié)省能耗。這些能耗預(yù)算的嚴(yán)格限制，需要系統(tǒng)中的存儲(chǔ)器能夠比今天的存儲(chǔ)器所能實(shí)現(xiàn)的功耗更低、集成度更高。而今天的存儲(chǔ)器技術(shù)功耗太高、速度太慢、不夠可靠也不易于制造。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要?jiǎng)?chuàng)新型的、高能效的存儲(chǔ)器技術(shù)

創(chuàng)新型的存儲(chǔ)器技術(shù)將會(huì)幫助人們應(yīng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)中最關(guān)鍵的能耗挑戰(zhàn)。更低的功耗和更低的操作電壓、單片集成技術(shù)、更快速的讀寫、非易失性以及更高的容量是存儲(chǔ)器技術(shù)助力物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)更高功效的所有途徑。通過設(shè)計(jì)，非易失性存儲(chǔ)器可以在電源完全關(guān)閉的狀態(tài)下，保存需要存儲(chǔ)的信息。

更強(qiáng)大、卻更低功耗的微處理器使通過對(duì)傳感器待發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理來(lái)降低數(shù)據(jù)發(fā)送量成為可能。然而，高效率的處理能力要求有更大的本地存儲(chǔ)容量來(lái)存儲(chǔ)待處理的數(shù)據(jù)和要執(zhí)行的程序。為了降低數(shù)據(jù)發(fā)送的頻度，設(shè)計(jì)者將會(huì)最大限度地利用本地?cái)?shù)據(jù)緩存，利用批量發(fā)送數(shù)據(jù)的方式從而大量的減少了數(shù)據(jù)發(fā)送的頻度。更快的讀寫使數(shù)據(jù)發(fā)送地更快，從而減少了每一次發(fā)送的持續(xù)時(shí)間，優(yōu)化了開/關(guān)的占空比。

因?yàn)槿鄙偃蚍秶J(rèn)同的物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)，需要設(shè)備能夠支持多種標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議棧，從而需要更多的存儲(chǔ)器用來(lái)確保互操作性。今天的片上存儲(chǔ)器技術(shù)不能微縮到更加經(jīng)濟(jì)的工藝節(jié)點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)更大的密度，因此SoC的設(shè)計(jì)者們被迫依賴于外部存儲(chǔ)芯片來(lái)滿足這些更多的存儲(chǔ)器需求。

ReRAM來(lái)拯救這一現(xiàn)狀

阻變隨機(jī)存儲(chǔ)器在創(chuàng)新型的、低能耗、更加微縮性、高容量、高性能以及高可靠性的存儲(chǔ)解決方案的開發(fā)競(jìng)爭(zhēng)中被廣泛認(rèn)為是最有前途的技術(shù)。典型的ReRAM存儲(chǔ)單元，在兩個(gè)金屬電極之間，像三明治結(jié)構(gòu)那樣，部署使用了轉(zhuǎn)換介質(zhì)材料，從而使轉(zhuǎn)換介質(zhì)材料在加載特定的電壓條件下，表征為不同的電阻特性。依賴于所選取的不同轉(zhuǎn)換介質(zhì)材料和存儲(chǔ)單元的組織架構(gòu)，所能獲取的性能差異是顯著的。

不同于閃存，ReRAM是可以比特/字節(jié)級(jí)尋址的，而且可以實(shí)現(xiàn)可獨(dú)立重寫的小頁(yè)面架構(gòu)。片上存儲(chǔ)通過避免了閃存所必需的數(shù)據(jù)管理所帶來(lái)的大量的后臺(tái)存儲(chǔ)器訪問，從而極大地簡(jiǎn)化了微控制器的復(fù)雜程度。它還可以使用更寬的存儲(chǔ)器總線，突破多個(gè)計(jì)算核和存儲(chǔ)之間的帶寬瓶頸。ReRAM在減小讀寫延遲、降低能耗和延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命等方面取得了顯著的優(yōu)勢(shì)。

在存儲(chǔ)單元層面，ReRAM提高了寫性能，降低了功耗;在系統(tǒng)層面，片上存儲(chǔ)器減少了相較于外部非易失性存儲(chǔ)器高達(dá)50倍的能耗。而且，更低的、更易預(yù)測(cè)的訪問延遲可以減少代碼提取和數(shù)據(jù)流的執(zhí)行時(shí)間，從而降低了能耗。

對(duì)各個(gè)組件進(jìn)行不同的機(jī)械互連和為應(yīng)對(duì)不同復(fù)雜度的各種方法會(huì)降低良品率并提高總的制造成本。而存儲(chǔ)器的單片集成不再需要這些機(jī)械互連和應(yīng)對(duì)不同復(fù)雜度的方法。而且，ReRAM技術(shù)可以很容易地被集成到標(biāo)準(zhǔn)的CMOS邏輯電路中并且很容易地利用現(xiàn)有的CMOS代工廠進(jìn)行制造。相較于藍(lán)牙低功耗BLE的無(wú)線發(fā)送能耗，更多的片上存儲(chǔ)可以使數(shù)據(jù)日志應(yīng)用節(jié)省40倍的能耗。

ReRAM解決方案帶來(lái)了互連中的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的偉大創(chuàng)新。能夠很容易地、大容量地與邏輯電路、模擬電路和RF組件集成于單個(gè)SoC中,并能夠在無(wú)須電池充電的條件下運(yùn)行多年的低能耗、快速、非易失性大容量存儲(chǔ)器，也使得未來(lái)的智能設(shè)備在物聯(lián)網(wǎng)、消費(fèi)類電子產(chǎn)品和工業(yè)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)縱橫跨越成為可能。