目前有許多非易失性存儲技術(shù)在使用;RRAM也是一個(gè)選擇——也許吧。

隨機(jī)存取存儲器（RAM），有時(shí)也被稱為讀寫（R/W）存儲器，對現(xiàn)代電子系統(tǒng)至關(guān)重要。少量需要作為數(shù)值記錄板或存儲數(shù)據(jù)樣本以進(jìn)行處理;存儲嵌入式程序需要適量的存儲;而且需要大量存儲幾乎所有東西，比如歷史數(shù)據(jù)、視頻、圖片、音頻等。

非易失性存儲器（NVM）存儲的數(shù)據(jù)可以被覆蓋，但在斷電時(shí)仍保留數(shù)據(jù);相比之下，易失性內(nèi)存在缺電時(shí)會(huì)失去保留能力。由于RAM用途廣泛，它采用了多種底層技術(shù)和類型，包括各種固態(tài)方式以及機(jī)電式，如磁盤驅(qū)動(dòng)器甚至“老式”磁帶驅(qū)動(dòng)器（至今仍在廣泛使用！）。每種方案提供不同的屬性組合，以最佳匹配應(yīng)用需求和優(yōu)先級，如容量、訪問速度、物理尺寸、壽命、讀寫周期、功耗、支持電路復(fù)雜度和成本。

本常見問題將介紹一種較少為人知但商業(yè)可用的RAM技術(shù)，稱為電阻隨機(jī)存取存儲器（RRAM）或ReRAM。它是一種固態(tài)、非易失性存儲器，可以作為獨(dú)立的功能模塊使用，但更常集成在嵌入式片上系統(tǒng)（SoC）中，以滿足適度的本地內(nèi)存需求。

簡而言之，它通過改變介電固態(tài)材料在核心的電阻來工作;這個(gè)磁芯通常被稱為憶阻器，盡管許多行業(yè)專家并不認(rèn)為它是真正的憶阻器（這又是另一個(gè)時(shí)間和地方的討論）。與許多固態(tài)及其他技術(shù)設(shè)備一樣，其功能需要對固態(tài)物理、材料科學(xué)、工藝技術(shù)、技術(shù)等有深入的理解。

一如既往，RRAM帶來了永恒的創(chuàng)新問題：到底是誰會(huì)想到這些東西？誰有毅力堅(jiān)持到底，最終取得成功？RRAM再次體現(xiàn)了科幻作家亞瑟·克拉克的深刻言論：“任何足夠先進(jìn)的技術(shù)都與魔法無異。”

本常見問題解答將概述RRAM：其工作原理、功能、適合的地方、其歷史介紹及更多內(nèi)容。這不會(huì)是權(quán)威的闡述，但如果你需要更多見解，可以附帶不同長度和技術(shù)深度的參考文獻(xiàn)鏈接。

問：它有哪些關(guān)鍵特征？
答：近年來，RRAM因其結(jié)構(gòu)簡單、保存時(shí)間長、高速運(yùn)行、超低功耗作能力、能夠擴(kuò)展到更低維而不影響器件性能，以及在高密度應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)三維集成的可能性而受到更多關(guān)注。

問：RRAM背后的原則是什么？
答：RRAM的器件結(jié)構(gòu)是一個(gè)簡單的類似電容器的金屬絕緣體-金屬（MIM）結(jié)構(gòu)，開關(guān)層夾在兩個(gè)金屬電極之間，圖1中展示了兩個(gè)視角。MIM結(jié)構(gòu)的電阻可以通過施加適當(dāng)?shù)碾娦盘杹砀淖儯骷３蛛娏麟娮锠顟B(tài)，直到施加適當(dāng)?shù)男盘柛淖冸娮瑁瑥亩w現(xiàn)器件的非易失性特性。

圖1。（頂部）RRAM金屬絕緣體-金屬結(jié)構(gòu)示意圖;（底部）RRAM及其切換特性概述。（a， b）RRAM裝置的示意圖，包括導(dǎo)電絲。（圖片來源：美國國立衛(wèi)生研究院/國家醫(yī)學(xué)圖書館;美國化學(xué)學(xué)會(huì)/化學(xué)評論)

問：這看起來很簡單，但現(xiàn)實(shí)是什么？
答：不要被基本圖的簡單性誤導(dǎo)：現(xiàn)實(shí)是復(fù)雜且復(fù)雜的。

問：您能否簡單介紹一下RRAM的工作原理？
答：RRAM背后的物理現(xiàn)象是一種電阻開關(guān)（RS），這意味著設(shè)備在外部電刺激下可以被編程為高阻值狀態(tài)（HRS，或關(guān)閉狀態(tài)）或低阻抗?fàn)顟B(tài)（LRS，或ON狀態(tài)）。在RRAM中，這種器件電阻的變化通過施加外部電壓脈沖在電極兩端而變化。

RRAM設(shè)備利用氧化還原（氧化和還原）反應(yīng)進(jìn)行有效數(shù)據(jù)存儲。這些反應(yīng)在絕緣體內(nèi)的兩個(gè)金屬電極之間形成導(dǎo)電絲（CF）。通過施加外部電脈沖，燈絲在RRAM的兩個(gè)金屬電極之間形成，器件被稱為低阻值（邏輯態(tài)“1”）。當(dāng)燈絲破裂時(shí)，器件會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娮锠顟B(tài)（邏輯狀態(tài)“0”）。

ReRAM涉及在一層薄氧化層中產(chǎn)生缺陷，這些缺陷稱為氧空位（氧氣被移除的氧化物鍵位），這些缺陷隨后可能帶電并在電場下漂移。氧化物中氧離子和空位的運(yùn)動(dòng)類似于半導(dǎo)體中電子和空穴的運(yùn)動(dòng)。

圖2。VCM的開關(guān)機(jī)制利用氧化還原（氧化和還原）反應(yīng)。（圖片來源：美國國立衛(wèi)生研究院/國家醫(yī)學(xué)圖書館)

問：具體情況是什么？
答：雖然有多種方式實(shí)現(xiàn)開關(guān)動(dòng)作，但大多數(shù)方法通過夾在RRAM器件底部電極和頂部電極之間的電阻開關(guān)層中氧離子遷移實(shí)現(xiàn)電阻開關(guān)。這導(dǎo)致導(dǎo)電絲路徑的形成。基于價(jià)變記憶（VCM）的RRAM設(shè)備的切換機(jī)制，展示了氧離子遷移和擴(kuò)散過程，如圖2所示。

問：這一切看起來相當(dāng)緊張，是嗎？
答：是的，確實(shí)如此。在形成過程中，氧離子由于高電場導(dǎo)致的軟介質(zhì)擊穿，向陽極界面移動(dòng)，在電阻開關(guān)層中留下氧氣空位。因此，缺陷被產(chǎn)生，進(jìn)而形成囊性纖維化。在記憶單元從LRS過渡到HRS時(shí)，重置過程發(fā)生，氧離子返回整體并與氧空位重新結(jié)合。

基于VCM的RRAM器件中的電阻切換可以通過進(jìn)一步調(diào)節(jié)初始形成的導(dǎo)電絲，控制施加的外部電場的大小來調(diào)節(jié)。圖3展示了RRAM作機(jī)制的流程圖。

圖3。a）RRAM的電流-電壓圖。b）典型的I–V特征，包括成形階段。（圖片來源：美國國立衛(wèi)生研究院/國家醫(yī)學(xué)圖書館)

問：能否提供更多關(guān)于物理序列的細(xì)節(jié)？
答：RRAM切換階段的掃描順序如圖4所示。

圖4。這是對RRAM切換階段的更詳細(xì)描述。（圖片來源：美國國立衛(wèi)生研究院/國家醫(yī)學(xué)圖書館)

問：單個(gè)內(nèi)存位很有趣但沒什么用——那內(nèi)存數(shù)組呢？
答：如何實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)是RRAMs相關(guān)的一個(gè)問題。所謂的單晶體管一電阻（1T1R）架構(gòu)在某些方面更受青睞，因?yàn)榫w管將電流隔離到被選中的單元。另一方面，交叉點(diǎn)架構(gòu)更緊湊，可能支持垂直堆疊內(nèi)存層，非常適合大容量存儲設(shè)備。選擇和制造可行陣列存在許多性能、一致性、制造性和支持電路方面的問題。

問：RRAM開發(fā)的歷史是怎樣的？
答：通常情況下，這類進(jìn)展需要較長的孕育期，從“這真的可能嗎？”到實(shí)際工作模型，再到商業(yè)版本。一些最初的概念化和實(shí)驗(yàn)是在20世紀(jì)60年代完成的。

然而，這一努力直到惠普——當(dāng)時(shí)領(lǐng)先的測試與測量公司，后來剝離了T&M部門，拆分為“企業(yè)軟件”公司和硬件供應(yīng)商——開發(fā)了一種名為憶阻器的設(shè)備，并將其宣傳為存儲技術(shù)的“下一個(gè)大趨勢”。他們的宣傳引發(fā)了新的關(guān)注，最終發(fā)展成RRAM設(shè)備，如圖5的時(shí)間線所示。

圖5。以下是RRAM從1962年到2021年的發(fā)展簡要?dú)v史。（圖片來源：美國國立衛(wèi)生研究院/國家醫(yī)學(xué)圖書館)

問：RRAMs是否用于任何標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品中？
答：雖然RRAM尚未達(dá)到其倡導(dǎo)者的承諾（或炒作），但已經(jīng)有一定的商業(yè)化趨勢。例如，英飛凌堅(jiān)持認(rèn)為RRAM優(yōu)于傳統(tǒng)的NOR Flash、EEPROM和磁性RAM解決方案，并使所謂“邊緣”設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)先進(jìn)的AI/ML技術(shù)。他們提供帶有RRAM的微控制器系列，用于NVM角色。

他們指出的理由之一是嵌入式系統(tǒng)需要啟動(dòng)代碼的長期可靠內(nèi)存，而RRAM提供20年的數(shù)據(jù)保存能力，以及輻射和磁性耐受性。數(shù)據(jù)記錄等應(yīng)用以對少量數(shù)據(jù)的高重復(fù)寫入為特征。RRAM的高耐力和字節(jié)粒度寫入支持絕大多數(shù)此類工作負(fù)載，展示了內(nèi)存的多功能性。

英飛凌RRAM存儲單元采用金屬氧化物開關(guān)材料，設(shè)計(jì)為單晶體管單電阻（1T1R）配置。切換能量低，切換速度快，耐力高。該存儲器可通過標(biāo)準(zhǔn)CMOS制造工藝制造，且已被證明可擴(kuò)展至30納米以下。

英飛凌進(jìn)一步指出，與NOR閃存架構(gòu)相比，RRAM的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢是驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)的簡化，原因有兩個(gè)。首先，RRAM技術(shù)在重寫到內(nèi)存前不需要擦除命令。其次，它還支持字節(jié)粒度寫入，而非 NOR 的頁面級寫入命令。更少的指令和內(nèi)存作也增強(qiáng)了RRAM技術(shù)固有的功率、性能和續(xù)航優(yōu)勢。

問：還有其他使用嵌入式RRAM的產(chǎn)品嗎？
答：是的，Nordic Semiconductor nRF54L 系列無線系統(tǒng)單片（SoC）集成了超低功耗、多協(xié)議的 2.4 GHz 無線電與微控制器，采用 128 MHz Arm? Cortex-M33? 處理器，見圖 6。SoC 包括 500 KB 至 1524 KB 基于 RRAM 的非易失性內(nèi)存（取決于具體版本），以及 96 KB 到 256 KB 的“常規(guī)”內(nèi)存。

圖6。nRF54L系列的片上系統(tǒng)（SoC）設(shè)備實(shí)現(xiàn)了完整的多協(xié)議、多格式無線鏈路，并集成了RRAM和傳統(tǒng)RAM。（圖片來源：Nordic Semiconductor)

問：如果RRAM有這么多優(yōu)點(diǎn)，為什么它沒有取得更大的成功？
答：這個(gè)問題沒有簡單、單一的答案。答案取決于潛在用戶的優(yōu)先事項(xiàng)、他們愿意做出的權(quán)衡，以及供應(yīng)商的制造考慮因素。

完整的RRAM子系統(tǒng)涉及在設(shè)計(jì)復(fù)雜度、更高內(nèi)存密度下的性能擴(kuò)展性、功耗需求、制造一致性與內(nèi)存容量、壽命、性能與溫度波動(dòng)、長期可靠性、芯片占地和成本等方面進(jìn)行權(quán)衡和優(yōu)先級權(quán)衡。和大多數(shù)設(shè)計(jì)場景一樣，沒有唯一正確或最佳的答案。

迄今為止，RRAM僅在一些明確的細(xì)分領(lǐng)域取得成功。當(dāng)然，這種情況可能會(huì)改變，而且有許多技術(shù)尚未“準(zhǔn)備好進(jìn)入黃金時(shí)段”，但一直處于第二位，直到多種發(fā)展的組合改變了局面。未來幾年RRAM的表現(xiàn)如何，我們還得拭目以待。