RRAM走向商業(yè)化

RRAM的出現(xiàn)正在挑戰(zhàn)NAND的地位，而Crossbar公司對(duì)關(guān)鍵性技術(shù)難題的解決，使它的開(kāi)發(fā)進(jìn)入到下一個(gè)階段。

雖然從FRAM到相變式存儲(chǔ)器，新的技術(shù)不斷涌現(xiàn)，但目前它們還都不能撼動(dòng)NAND的地位。不過(guò)，最近阻變式存儲(chǔ)器（RRAM）的出現(xiàn)似乎要改變這一切，三星、閃迪等存儲(chǔ)器巨頭都在其中進(jìn)行了投入，而走在最前列的是一家美國(guó)創(chuàng)業(yè)公司Crossbar。

阻變式存儲(chǔ)器（Resistive Random Access Memory，RRAM）是可顯著提高耐久性和數(shù)據(jù)傳輸速度的可擦寫(xiě)內(nèi)存技術(shù)，它是一種根據(jù)施加在金屬氧化物（Metal Oxide）上的電壓的不同，使材料的電阻在高阻態(tài)和低阻態(tài)間發(fā)生相應(yīng)變化，從而開(kāi)啟或阻斷電流流動(dòng)通道，并利用這種性質(zhì)儲(chǔ)存各種信息的內(nèi)存。

RRAM挑戰(zhàn)NAND

目前，多家新型非易失性?xún)?nèi)存生產(chǎn)商認(rèn)為，RRAM已準(zhǔn)備從原型階段進(jìn)入到投產(chǎn)階段，即將生產(chǎn)和測(cè)試郵票般大小、存儲(chǔ)容量卻高達(dá)1TB的芯片。

硅谷初創(chuàng)公司Crossbar預(yù)計(jì)，它的一些3D電阻式內(nèi)存（3D RRAM）產(chǎn)品有望在2016年上市，用做可穿戴設(shè)備里面的內(nèi)存，固態(tài)硬盤(pán)等高密度存儲(chǔ)設(shè)備會(huì)在之后18個(gè)月內(nèi)問(wèn)世。

相比NAND閃存，RRAM具有先天的優(yōu)勢(shì)。目前，NAND閃存在密度方面已經(jīng)走到盡頭，RRAM的密度天生比NAND要高，并擁有更高的性能。據(jù)Crossbar公司市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)和業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)副總裁Dylvain Dubois介紹，Crossbar的3D RRAM非常耐用，擦寫(xiě)周期多達(dá)10萬(wàn)次。

由于密度更大，RRAM將來(lái)能夠使用大小只是目前NAND閃存廠(chǎng)商所用一半的硅晶片。在一塊芯片上，其存儲(chǔ)容量是NAND閃存的近10倍，存儲(chǔ)1bit數(shù)據(jù)的功耗卻只有NAND閃存的1/20。據(jù)Crossbar聲稱(chēng)，其延遲也要比NAND閃存低100倍，這意味著性能將大幅提升。

另外，由于RRAM與NAND生產(chǎn)工廠(chǎng)已經(jīng)采用的制造工藝完全兼容，生產(chǎn)設(shè)施不需要做任何變動(dòng)。不過(guò)在技術(shù)投產(chǎn)之前，Crossbar必須克服一大技術(shù)障礙，即內(nèi)存單元之間會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)致錯(cuò)誤的電子泄漏。

技術(shù)突破助力商業(yè)化

電子泄漏是非易失性?xún)?nèi)存的一個(gè)通病，即便在今天，使用NAND閃存的固態(tài)硬盤(pán)也不例外。晶體管尺寸縮小到20納米以下，同時(shí)芯片密度增加后，存儲(chǔ)在微小內(nèi)存單元上的數(shù)據(jù)就會(huì)泄漏到相鄰的內(nèi)存單元，導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

三星、英特爾、美光及其他固態(tài)硬盤(pán)廠(chǎng)商已經(jīng)增加了各自產(chǎn)品上的糾錯(cuò)碼，以解決這個(gè)問(wèn)題。不止一家公司將目光轉(zhuǎn)向3D NAND，它最多可以堆疊32層內(nèi)存單元，以增加密度，從而在存儲(chǔ)容量方面提供了一些活動(dòng)余地，不需要進(jìn)一步縮小內(nèi)存單元尺寸。

制造在平面（2D）NAND上存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的硅閃存單元的最密集工藝其尺寸在10納米到19納米之間。具體來(lái)說(shuō)，1納米是1/10億米，而人的頭發(fā)比采用25納米工藝技術(shù)制造的NAND閃存粗3000倍。1英寸則相當(dāng)于2500萬(wàn)納米。

Crossbar的3D RRAM從20納米工藝技術(shù)起步。

NAND閃存使用晶體管或電荷來(lái)捕獲比特?cái)?shù)據(jù)，并將其存儲(chǔ)在硅內(nèi)存單元中，這又叫電荷捕獲型閃存（Charge Trap Flash）。相比之下，RRAM使用的微小導(dǎo)電細(xì)絲可以交叉連接硅層，以表示1 bit數(shù)據(jù)。

在RRAM中，頂部金屬層形成導(dǎo)電電極，中間層是非晶形開(kāi)關(guān)介質(zhì)，底層是非金屬。兩個(gè)電極之間施加編程電壓后，頂部電極的納米顆粒就會(huì)在開(kāi)關(guān)材料中擴(kuò)散開(kāi)來(lái)，形成細(xì)絲；細(xì)絲接觸底部電極后，內(nèi)存單元就會(huì)導(dǎo)電。兩個(gè)電極之間施加反向電壓后，細(xì)絲往回推并消失。這時(shí)，內(nèi)存單元不導(dǎo)電。

Crossbar將內(nèi)存單元之間的電子泄漏稱(chēng)為“潛通路電流”（sneak path current），這是RRAM內(nèi)存天生固有的現(xiàn)象。

為了克服RRAM存在的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤問(wèn)題，Crossbar發(fā)明了一種方法，即將相鄰內(nèi)存單元隱藏起來(lái)，以免被編程存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的內(nèi)存單元看見(jiàn)，因而讓它們不會(huì)受到無(wú)意的改變。為此，它為內(nèi)存單元設(shè)置了一個(gè)特定的電壓范圍。被編程-1伏到+1伏之間的內(nèi)存單元被忽略，這個(gè)范圍之外的任何內(nèi)存單元被編程為存儲(chǔ)新數(shù)據(jù)。

這項(xiàng)技術(shù)名為場(chǎng)輔助超線(xiàn)性閾值（FAST）選擇裝置，它抑制了潛通路電流——這標(biāo)志著取得了用于存儲(chǔ)高密度數(shù)據(jù)的RRAM內(nèi)存實(shí)現(xiàn)商業(yè)化所需要的另一大進(jìn)展。

Crossbar首席執(zhí)行官George Minassian說(shuō)：“我們?cè)谝荒臧肭鞍l(fā)布Crossbar RRAM時(shí)，就制定了積極的計(jì)劃，希望推出新一代內(nèi)存，能夠?qū)⒋鎯?chǔ)容量增加到郵票大小的芯片上可存儲(chǔ)1 TB數(shù)據(jù)。有了這一最新成果，我們離商業(yè)化又近了一步，因而能夠?qū)RAM技術(shù)實(shí)施到商用產(chǎn)品中；這個(gè)突破性成就將重新定義企業(yè)存儲(chǔ)和大容量非易失性片上系統(tǒng)內(nèi)存的應(yīng)用前景。”（編譯/沈建苗）