ReRAM準備走出實驗室了嗎?

作者 : Gary Hilson, EE Times特約編輯

儘管可變電阻式記憶體(ReRAM)潛力巨大,但至今尚未投入量產。ReRAM是「新興」記憶體的代表,它們大多都還處於研發階段…

Objective Analysis首席分析師、《新興記憶體加速發展》(Emerging Memories Ramp Up)這份報告的合著者Jim Handy認為,「ReRAM的主要進展還是在研發上。」許多小公司(如Crossbar和Weebit Nano)致力於將其商業化,法國CEA Tech旗下的Leti技術研究所正進行了大量研究工作。DRAM製造商也開始涉足其中,Handy指出,但是,儘管每個能夠提供MRAM的代工廠都具有一定的ReRAM生產能力,目前卻沒有人急於推出產品。

實質上,一些大記憶體製造商都採取了兩邊下注的策略。Handy認為:「他們要確保一旦DRAM和NAND快閃記憶體不能再滿足市場發展需求,必須有一些研究成果可以取而代之。」因此那些小公司投入重金進行研發,看是否可以撐到大規模商業應用來臨的一刻。Handy提到,Adesto Technologies (出刊前該公司已被Dialog Semiconductor收購)推出了作為公司創立之本的CBRAM (已註冊商標),除此之外,ReRAM產品目前還很少。

ReRAM能夠模擬大腦為人工智慧(AI)應用創建神經網路,因此激發了人們對新興記憶體的濃厚興趣。Handy說:「實際上,人們討論神經圖(neural map)已經很長時間了,但是還沒人真正實現它並將其投入生產。」不過也有人說神經網路可以採用普通快閃記憶體。他認為,「如果快閃記憶體能夠做到這一點,人們可能會放棄ReRAM。」

Crossbar, AI platform

圖1:近期成立了採用ReRAM創建人工智慧平台的聯盟,Crossbar是創始成員之一。
(來源:Crossbar)

在2019年IEEE國際電子設備會議(IEDM)上,Leti展示了其研究工作,即如何利用基於ReRAM的突觸和類比棘波神經元,製造出全整合仿生神經網路——與使用普通編碼的等效晶片相比,其能耗降低了5倍。這種神經網路實現使突觸靠近神經元放置,從而可以直接進行突觸電流整合。

2020年初,ReRAM製造商Crossbar和其他幾家公司共同成立了一個名為SCAiLE (SCalable AI for Learning at the Edge)的AI聯盟,致力於提供加速、節能的AI平台。聯盟的主要工作是將ReRAM與先進的加速硬體,以及最佳化的神經網路結合,以產生具有無監督學習(unsupervised learning)和事件辨識能力且低功耗的現成解決方案。

Handy指出,在大肆宣揚的神經網路之外,ReRAM的市場應用有兩種:一種是作為獨立的元件包含在晶片當中,例如EERAM;另一種是作為記憶體嵌入SoC或微控制器中。Handy認為,ReRAM作為獨立元件的應用較有吸引力,因為它可以跟備用電池一起替代SRAM,以避免停電時喪失資訊;而嵌入式應用則更有趣,因為NOR快閃記憶體製程難以突破28nm。「一些大的代工廠,以及微控制器製造商都在想盡方法使記憶體製程縮至28nm以下,ReRAM和MRAM可望實現這一目標。」

Weebit Nano是一家積極將ReRAM應用於神經網路的公司,但其CEO Coby Hanoch也表示,首先進入市場的很可能是一些更常見的應用。不過,他認為ReRAM總體來說正在不斷發展。「大一些的公司現在越來越重視它,而新創公司也開始取得進展。」Weebit對自己的技術充滿信心,積極向客戶進行推廣。Weebit最近宣佈芯天下(XTX Technology)將採用其氧化矽ReRAM技術,芯天下是一家為消費電子產品、工業嵌入式系統、電信和網路應用提供記憶體解決方案的中國供應商。「我們正進行產品化和商業化,預計到2021年,我們可能會開始賣出產品,將ReRAM繼續向前推進。」

Weebit, ReRAM cell

圖2:Weebit的ReRAM單元由兩個金屬層和金屬層中的二氧化矽(SiOx)組成,兩層之間的二氧化矽可用於現有生產線。
(來源:Weebit Nano)

Hanoch表示,過去一年來,業界對於生產ReRAM的興趣越來越濃,Weebit則透過實現超過一百萬次的耐久性測試來檢驗其技術。「我們的產品可以在150度下工作10年,」Hanoch提到,「這項技術變得越來越成熟,真的已可問世。」

儘管大家都知道Weebit在神經網路方面所做的努力,但Hanoch表示,公司第一階段的目標仍然是嵌入式市場。ReRAM在嵌入式領域具有明顯優勢,例如,用更快、功耗更低的ReRAM元件代替快閃記憶體技術和外部非揮發性記憶體,這種方案優於MRAM解決方案,因為Weebit的氧化矽ReRAM採用的標準材料更適合現有的產線。「我們發現只需添加一兩個光罩即可進行製造。」

ReRam Applied Materials

圖3:Applied Materials發佈其Endura Impulse PVD平台,可精確沉積並控制ReRAM中使用的多種材料。
(來源:Applied Materials)

記憶體晶片的製造也是其成功的一個關鍵因素。美商應用材料公司(Applied Materials)先進製程技術開發總經理Mahendra Pakala認為,對ReRAM來說,均勻性和介面控制在製造過程中至關重要。該公司去年發佈了用於ReRAM的Endura Impulse PVD平台,該平台最多擁有9個配備板載計量裝置的真空處理室,可精確沉積和控制ReRAM中使用的多種材料,這對於在生產中實現高性能、高可靠性和高耐久性非常重要。「處理室中至少有五到六層不同的材料和外罩,處理條件也不同,因而可以形成合適的介面。」

Pakala表示,當ReRAM尺寸變大時,就要使用不同的材料系統,這是當前的研發重點。「目前我們處於材料篩選的開發階段,一切都還早。」與Weebit一樣,Applied Materials也看到ReRAM在嵌入式應用中越來越受歡迎,但要使審慎的ReRAM產品投入商用,還有很多工作要做。他提到,為了發展ReRAM和其他新興記憶體,必須建立相應的生態系統,為此Applied Materials創辦了材料工程技術推動中心(META Center),促進研究人員、設備供應商和製造商在開發初期互相協作,從而加快從「實驗室到晶圓廠」(lab to fab)的進展。

Hanoch表示,無論是嵌入式的還是離散式,ReRAM之所以具有吸引力,主要是因為低功耗(Leti最近的展示就是一個例子),因而非常適合物聯網(IoT)應用。Hanoch指出:「ReRAM在速度和低功耗方面具有很大優勢。」他提到,嵌入式應用是ReRAM最容易實現的目標,因此這是Weebit短期內的工作重點,但公司同時也在積極計畫開發獨立的ReRAM產品。

Hanoch表示,隨著完成的商業交易越來越多,客戶信心會不斷增強,可以說,ReRAM將在未來3~4年內迎來快速成長。他認為,「到那時候一定會發生。」而引起廣泛關注的神經形態應用至少還需要五年的時間,「在其產品化之前還需要做許多研究,但是一旦完成,這可能會是ReRAM的最大市場,其潛力不可估算。」

(參考原文:Is ReRAM Ready to Leave the R&D Phase?,by Gary Hilson)

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