RRAM：高性能嵌入式應(yīng)用程序的非揮發(fā)記憶

出處：網(wǎng)絡(luò)整理發(fā)布于：2025-02-25 16:28:35

　　高性能嵌入式系統(tǒng)中的內(nèi)存
　　新興連接的系統(tǒng)面臨許多艱難的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。例如，盡管增加了數(shù)據(jù)和事件記錄要求，但醫(yī)療設(shè)備（例如助聽器，連續(xù)的葡萄糖監(jiān)視器（CGM）和補(bǔ)?。┤钥梢赃m合較小的外形，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視和遵守行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
　　接下來，行業(yè)4.0系統(tǒng)中的智能設(shè)備需要更大的代碼存儲，以促進(jìn)諸如遙感，邊緣處理和固件的遙控器（FOTA）更新，以進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)。此外，在可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備的邊緣增加了人工智能（AI），這推動(dòng)了在較小的形式中對高性能，節(jié)能的非揮發(fā)性記憶的需求。
　　此類系統(tǒng)的代碼大小和數(shù)據(jù)記錄要求的增加超過了微控制器的嵌入式非易失性存儲能力。需要外部內(nèi)存以匹配增加的密度和性能要求。但是，代碼和數(shù)據(jù)通常需要不同的功能，具體取決于性能，密度，耐力和數(shù)據(jù)寫入大小。
　　因此，可能必須使用多個(gè)非易失性記憶，例如用于數(shù)據(jù)記錄的NOR Flash和用于代碼存儲的高密度EEPROM。這可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)使用多種類型的外部內(nèi)存，增加系統(tǒng)成本，復(fù)雜性和能耗。
　　理想情況下，系統(tǒng)可以使用一個(gè)支持外部代碼和數(shù)據(jù)存儲的單個(gè)內(nèi)存類型，而不會(huì)損害任何一個(gè)的性能或功能。作為獨(dú)立外部記憶的新興的非易失性技術(shù)是RRAM。
　　電阻公羊

　　電阻RAM（RRAM）是一種非易失性的隨機(jī)記憶，在2000年代初在商業(yè)上可用。它通過更改夾在兩個(gè)電極之間的開關(guān)材料的電阻來運(yùn)行，圖1中的左顯示。

　　圖1典型的RRAM存儲單元由一個(gè)晶體管和一個(gè)電阻器（左）組成，并且通過在金屬電極上應(yīng)用外部偏置（右）來改變內(nèi)存狀態(tài)。資料Infineon開關(guān)材料可以是金屬氧化物或?qū)щ姌蚪娱_關(guān)介質(zhì)。一個(gè)典型的RRAM存儲單元由一個(gè)晶體管和一個(gè)電阻對（1T1R）組成，其中RRAM的電阻可以用跨金屬電極施加的外部偏置改變，圖1的右側(cè)顯示。
　　初，RRAM被開發(fā)為閃存的潛在替代品。當(dāng)時(shí)，RRAM的成本和性能優(yōu)勢不足以取代其他非易失性記憶技術(shù)的優(yōu)勢，尤其是作為外部記憶。但是，近年來，已改變了一些因素，使RRAM成為引人注目的非易失性替代方案。
　　具體而言，隨著嵌入式系統(tǒng)在較小的制造過程節(jié)點(diǎn)中變得更加集成和實(shí)現(xiàn)，具有較大的代碼和數(shù)據(jù)存儲要求，RRAM的以下優(yōu)勢超過了傳統(tǒng)的非揮發(fā)性選項(xiàng)：
　　可伸縮性
　　一些非易失性記憶技術(shù)的擴(kuò)展能力有限，轉(zhuǎn)化為由于足跡，力量和成本而導(dǎo)致的整體記憶密度的限制。 RRAM的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是它可以在兼容的CMOS過程中制造，從而使其能夠擴(kuò)展以處理低于45 nm甚至低至10 nm的節(jié)點(diǎn)。
　　例如，由于該技術(shù)在物理上限制在35至40 nm之間，記憶行業(yè)的成本效益擴(kuò)展或閃存都很難擴(kuò)展?？缮炜s性直接影響性能，密度，足跡和能源效率。
　　直接寫

　　NOR閃存的數(shù)據(jù)存儲需要兩個(gè)操作：擦除操作以清除目標(biāo)地址，然后進(jìn)行寫操作。 RRAM的“直接寫入”功能消除了首先擦除內(nèi)存的需求。因此，存儲數(shù)據(jù)只需要寫操作。圖2顯示了寫入Nor Flash和RRAM所需的操作。

　　圖2或閃光燈需要在每次寫操作之前進(jìn)行擦除操作，增加寫入時(shí)間，能耗和記憶單元上的磨損。 RRAM指導(dǎo)寫作速度寫操作，節(jié)省能量并擴(kuò)展細(xì)胞耐力的能力。資料Infineon這導(dǎo)致了RRAM的大規(guī)模寫操作更快，例如在FOTA更新期間。
　　字節(jié)可重新編寫
　　一些非易失性記憶根據(jù)頁面大小執(zhí)行寫作。例如，閃光頁面大小通常是256或512字節(jié)。這意味著每個(gè)寫作都會(huì)影響整個(gè)頁面。要更改一個(gè)字節(jié)，必須將頁面讀取并存儲在臨時(shí)緩沖區(qū)中；更改是臨時(shí)重復(fù)的。
　　然后，閃光燈必須刪除頁面，然后從緩沖區(qū)中寫回整個(gè)頁面。這個(gè)過程是耗時(shí)的，并穿著閃光燈（通常為100k+寫入）。此外，不必要地佩戴了不更改的數(shù)據(jù)單元。因此，使用NOR Flash的數(shù)據(jù)記錄要求將數(shù)據(jù)緩存，然后用頁面大小的塊編寫，從而增加了功率事件期間的復(fù)雜性和潛在數(shù)據(jù)丟失。
　　相比之下，RRAM寫入尺寸要比NOR Flash較高（幾個(gè)字節(jié)）要高得多（幾個(gè)字節(jié)）。這是更易于管理的，并且可以很好地適應(yīng)數(shù)據(jù)記錄要求，因?yàn)閮H在寫入時(shí)佩戴細(xì)胞。因此，RRAM對于在同一存儲設(shè)備中的代碼存儲和數(shù)據(jù)記錄都具有穩(wěn)健性和有效性。
　　能源效率
　　通過優(yōu)化，諸如BYTE重新寫入和消除數(shù)據(jù)寫入期間的擦除操作，RRAM可實(shí)現(xiàn)更好的能源效率，與傳統(tǒng)的NOR Flash相比，較低的寫入能量和低至8倍的讀取能量。
　　輻射耐受性和電磁免疫力
　　RRAM技術(shù)固有地耐受輻射和電磁干擾（EMI）。對于那些必不可少的環(huán)境魯棒性的應(yīng)用，RRAM成為了的選擇。
　　合并代碼存儲和數(shù)據(jù)記錄

　　RRAM是一項(xiàng)經(jīng)過驗(yàn)證的技術(shù)，其時(shí)間已經(jīng)到來。這是一項(xiàng)已建立的技術(shù)，它是一種內(nèi)部非易失性記憶，已嵌入芯片中已有十多年了。它具有擴(kuò)展到較小的過程節(jié)點(diǎn)的能力，在低功率下提供更高的耐力和重新寫入，并通過直接寫入功能地減少寫入時(shí)間和功耗，RRAM可以在不損害魯棒性或效率的情況下提供高性能（表1）。

　　表1上面的數(shù)據(jù)顯示了RRAM與其他非易失性存儲技術(shù)之間的比較。資料Infineon

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