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Crossbar ReRAM存儲技術 人工智能芯片延續摩爾定律的秘密

2018-02-11
作者:王潔
來源:電子技術應用

2017年初,中國本土半導體制造龍頭企業中芯國際(SMIC)正式出樣采用40nm工藝的ReRAM(非易失性阻變式存儲器)芯片,ReRAM存儲技術的發明公司Crossbar如橫空出世般出現在人們的視野中。事實上,在2016年3月 Crossbar進軍中國市場時,就宣布了與SMIC在40nm工藝的合作,一年后的正式出樣也足以向業界宣告ReRAM真的來了。

存儲器的市場到底有多重要?縱觀整個科技行業,存儲未來成長空間依然很大,5G時代、物聯網、人工智能,這些科技產品的發展都離不開存儲。獨立存儲器占了950億美元的市場,與邏輯電阻集成在一起、需要嵌入式存儲器的邏輯電路則有著1350億的市場規模。而中國市場,存儲器的規模有200億,成為各大存儲廠家爭相搶占的一個市場。

近期,《電子技術應用》記者采訪了Crossbar戰略營銷和業務發展副總裁Sylvain Dubois,針對其ReRAM技術的最新發展動向進行了一些了解和討論。


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Crossbar戰略營銷和業務發展副總裁Sylvain Dubois

Sylvain Dubois指出,Crossbar的存儲器技術不僅會進入950億美元的獨立存儲器的市場,也會進入到擁有1350億美元市場規模的邏輯電路里面。中國市場是Crossbar非常重要的市場。

Crossbar公司成立于2010年,總部位于美國加州圣克拉拉,是ReRAM技術的業界領導者,申請專利310項,160項已獲批。Sylvain Dubois指出,ReRAM技術能夠很好地填補DRAM與閃存SSD之間的延遲差距:“我們的戰略是從填補這個差距來進入。我們擁有一個非常獨特的技術就是金屬導電細絲的可變電阻,就是阻性存儲器技術?!?/p>

有向7nm等先進工藝節點演進的潛力

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ReRAM三層架構

ReRAM是基于簡單的上電極、阻性轉換介質和下電極組成的三層架構。而阻性轉換介質的工作機理是,當電壓作用于兩個電極之間時,會形成導電細絲?;诓煌霓D換材料和存儲單元的組織形式,有不同的方法實現ReRAM。轉換材料的不同,器件性能會有重大差異。

Crossbar的ReRAM技術使用了基于硅的轉換材料作為形成金屬導電細絲的宿主。當電壓作用于兩個電極之間時,就會形成納米級導電細絲。因為阻變式轉換的機理是基于電場的,Crossbar的ReRAM存儲單元非常穩定,溫度變化范圍可以在-40C~125°C之間,100萬次以上寫次數,以及在85°C溫度下數據可以保存10年。

Sylvain Dubois指出:“我們的導電細絲非常小,直徑在5nm以下。在工藝節點的演進上,目前我們在40nm量產,因為它的技術的獨特性,它可以一直微縮到7nm。ReRAM不像閃存,它可以一直向先進的工藝節點演進。而且可以垂直地進行3D的堆疊,從而為在單個芯片上實現TB級的存儲能力鋪平了道路?!?/p>

比Flash閃存提升100倍讀性能和1000倍的寫性能   

Crossbar的ReRAM技術是基于一種簡單的器件結構,使用與CMOS工藝兼容的材料和標準的CMOS工藝流程。它可以很容易地在現有的CMOS晶圓廠中被集成和制造。由于Crossbar ReRAM陣列是在低溫的后段工藝制程中進行集成,多層Crossbar ReRAM陣列可以在CMOS邏輯晶圓上部進行集成,從而構建3D ReRAM存儲芯片。

Sylvain Dubois解釋到:“因為與CMOS的邏輯電路完全兼容,所以它的一個大優勢就是可以集成到CMOS GPU里,可以在CMOS邏輯的代工廠生產,也可以在存儲器的代工廠生產,可以作為一個單獨的存儲器取代目前流行的NAND Flash,在SSD里會有大量的NAND Flash去實現SSD的功能。”

CMOS邏輯集成.png

ReRAM集成在CMOS邏輯晶圓上

與傳統的Flash閃存相比,Crossbar ReRAM提供更快的、bit級翻轉、無須擦除的操作。它提供比閃存低100倍的讀延遲、快1000倍寫性能,更小的頁面架構從而減小讀寫延遲、降低能耗、提升存儲器解決方案的壽命。

人工智能芯片的新選擇:低成本、低能耗、高安全性

現在非常流行的人工智能技術,通過深度學習和深度神經網絡的架構,去提取不同的特征,通過矩陣的形式來實現特征的識別,如:人臉識別、語音識別、模式識別等方面。

以卷積神經網絡為例,卷積的運算占到90%~99%,需要不同的濾波器對輸入圖象的數據進行計算匹配,匹配就輸出1,不匹配的部分輸出0,這樣就可以判斷圖象的模式。在整個神經網絡里有大量的模型存在,去匹配不同的模式。

目前用于人工智能的芯片的實現需要非常昂貴的片上SRAM,可以做在CMOS的電路里,但是很貴。采用少量的SRAM再加上外部的芯片上容量比較大的DRAM,在使用外部DRAM和片上SRAM的架構會有很多memory的訪問操作,延遲會很大,同時會消耗很多能量。Sylvain Dubois認為,Crossbar的技術可以對人工智能的芯片帶來革命性的影響。

“如果用嵌入式的ReRAM來實現,可以不需要外部的DRAM來存儲大量的模型數據,內部的SRAM也可以減到最小。因為整個模型參數都會放在ReRAM里,ReRAM的數據直接參與計算, ReRAM在片上,和處理器非常近,能耗會很低,性能會很好?!?Sylvain Dubois 介紹到,“還帶來一個額外的好處就是安全性非常好,因為這個模型實際上是在片上的,不像模型放在DRAM或者外部的閃存上容易被竊取?!?/p>

ReRAM技術應用領域覆蓋了消費電子、企業存儲、物聯網、安全支付等電子行業的方方面面,在多個目標領域都非常有優勢,AI則是Sylvain Dubois認為優勢顯著的領域:“AI綜合了IoT、安全、計算各個方面。目前還沒有其他技術可以是現在AI芯片里集成存儲器的解決方案。Crossbar在AI領域會有非常明顯的優勢?!?/p>

類ARM式IP授權

Crossbar公司采用IP授權的模式,比較接近于ARM的模式。Sylvain Dubois 介紹到:“Crossbar為不同的客戶提供不同的服務,對于設計能力強的公司需要授權是給予授權;對于在技術方面需要更多支持的公司,也可以在很大程度上幫助客戶設計產品。雖然是IP授權,但是我們可以針對不同的公司提供定制化的服務。”

后記:盡管除了ReRAM之外,3D XPoint 和 STT-MRAM等新的內存技術發展勢頭都不錯,但MRAM已經發展了20多年,面臨很多挑戰性,ReRAM發展至今才7年,在SMIC已經進入到量產的階段,進展相對而言是比較快的,在AI迅速發展需求的推動下,ReRAM有望利用自身優勢在市場上首先分得一杯羹。

    

   


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