存储器的市场到底有多重要？人工智能芯片延续摩尔定律的秘密

2017年初，中国本土半导体制造龙头企业中芯国际（SMIC）正式出样采用40nm工艺的ReRAM（非易失性阻变式存储器）芯片，ReRAM存储技术的发明公司Crossbar如横空出世般出现在人们的视野中。事实上，在2016年3月 Crossbar进军中国市场时，就宣布了与SMIC在40nm工艺的合作，一年后的正式出样也足以向业界宣告ReRAM真的来了。

存储器的市场到底有多重要？纵观整个科技行业，存储未来成长空间依然很大，5G时代、物联网、人工智能，这些科技产品的发展都离不开存储。独立存储器占了950亿美元的市场，与逻辑电阻集成在一起、需要嵌入式存储器的逻辑电路则有着1350亿的市场规模。而中国市场，存储器的规模有200亿，成为各大存储厂家争相抢占的一个市场。

近期，《电子技术应用》记者采访了Crossbar战略营销和业务发展副总裁Sylvain Dubois，针对其ReRAM技术的最新发展动向进行了一些了解和讨论。

Crossbar战略营销和业务发展副总裁Sylvain Dubois

Sylvain Dubois指出，Crossbar的存储器技术不仅会进入950亿美元的独立存储器的市场，也会进入到拥有1350亿美元市场规模的逻辑电路里面。中国市场是Crossbar非常重要的市场。

Crossbar公司成立于2010年，总部位于美国加州圣克拉拉，是ReRAM技术的业界领导者，申请专利310项，160项已获批。Sylvain Dubois指出，ReRAM技术能够很好地填补DRAM与闪存SSD之间的延迟差距：“我们的战略是从填补这个差距来进入。我们拥有一个非常独特的技术就是金属导电细丝的可变电阻，就是阻性存储器技术。”

有向7nm等先进工艺节点演进的潜力

ReRAM三层架构

ReRAM是基于简单的上电极、阻性转换介质和下电极组成的三层架构。而阻性转换介质的工作机理是，当电压作用于两个电极之间时，会形成导电细丝。基于不同的转换材料和存储单元的组织形式，有不同的方法实现ReRAM。转换材料的不同，器件性能会有重大差异。

Crossbar的ReRAM技术使用了基于硅的转换材料作为形成金属导电细丝的宿主。当电压作用于两个电极之间时，就会形成纳米级导电细丝。因为阻变式转换的机理是基于电场的，Crossbar的ReRAM存储单元非常稳定，温度变化范围可以在-40C~125°C之间，100万次以上写次数，以及在85°C温度下数据可以保存10年。

Sylvain Dubois指出：“我们的导电细丝非常小，直径在5nm以下。在工艺节点的演进上，目前我们在40nm量产，因为它的技术的独特性，它可以一直微缩到7nm。ReRAM不像闪存，它可以一直向先进的工艺节点演进。而且可以垂直地进行3D的堆叠，从而为在单个芯片上实现TB级的存储能力铺平了道路。”

比Flash闪存更快的读写性能

Crossbar的ReRAM技术是基于一种简单的器件结构，使用与CMOS工艺兼容的材料和标准的CMOS工艺流程。它可以很容易地在现有的CMOS晶圆厂中被集成和制造。由于Crossbar ReRAM阵列是在低温的后段工艺制程中进行集成，多层Crossbar ReRAM阵列可以在CMOS逻辑晶圆上部进行集成，从而构建3D ReRAM存储芯片。

Sylvain Dubois解释到：“因为与CMOS的逻辑电路完全兼容，所以它的一个大优势就是可以集成到CMOS GPU里，可以在CMOS逻辑的代工厂生产，也可以在存储器的代工厂生产，可以作为一个单独的存储器取代目前流行的NAND Flash，在SSD里会有大量的NAND Flash去实现SSD的功能。”

ReRAM集成在CMOS逻辑晶圆上

与传统的Flash闪存相比，Crossbar ReRAM提供更快的、bit级翻转、无须擦除的操作。它提供比闪存低100倍的读延迟、快1000倍写性能，更小的页面架构从而减小读写延迟、降低能耗、提升存储器解决方案的寿命。

低成本、低能耗、高安全性

现在非常流行的人工智能技术，通过深度学习和深度神经网络的架构，去提取不同的特征，通过矩阵的形式来实现特征的识别，如：人脸识别、语音识别、模式识别等方面。

以卷积神经网络为例，卷积的运算占到90%~99%，需要不同的滤波器对输入图象的数据进行计算匹配，匹配就输出1，不匹配的部分输出0，这样就可以判断图象的模式。在整个神经网络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实现需要非常昂贵的片上SRAM，可以做在CMOS的电路里，但是很贵。采用少量的SRAM再加上外部的芯片上容量比较大的DRAM，在使用外部DRAM和片上SRAM的架构会有很多memory的访问操作，延迟会很大，同时会消耗很多能量。Sylvain Dubois认为，Crossbar的技术可以对人工智能的芯片带来革命性的影响。

“如果用嵌入式的ReRAM来实现，可以不需要外部的DRAM来存储大量的模型数据，内部的SRAM也可以减到最小。因为整个模型参数都会放在ReRAM里，ReRAM的数据直接参与计算， ReRAM在片上，和处理器非常近，能耗会很低，性能会很好。” Sylvain Dubois 介绍到，“还带来一个额外的好处就是安全性非常好，因为这个模型实际上是在片上的，不像模型放在DRAM或者外部的闪存上容易被窃取。”

ReRAM技术应用领域覆盖了消费电子、企业存储、物联网、安全支付等电子行业的方方面面，在多个目标领域都非常有优势，AI则是Sylvain Dubois认为优势显著的领域：“AI综合了IoT、安全、计算各个方面。目前还没有其他技术可以是现在AI芯片里集成存储器的解决方案。Crossbar在AI领域会有非常明显的优势。”

类ARM式IP授权

Crossbar公司采用IP授权的模式，比较接近于ARM的模式。Sylvain Dubois 介绍到：“Crossbar为不同的客户提供不同的服务，对于设计能力强的公司需要授权是给予授权；对于在技术方面需要更多支持的公司，也可以在很大程度上帮助客户设计产品。虽然是IP授权，但是我们可以针对不同的公司提供定制化的服务。”

后记：尽管除了ReRAM之外，3D XPoint 和 STT-MRAM等新的内存技术发展势头都不错，但MRAM已经发展了20多年，面临很多挑战性，ReRAM发展至今才7年，在SMIC已经进入到量产的阶段，进展相对而言是比较快的，在AI迅速发展需求的推动下，ReRAM有望利用自身优势在市场上首先分得一杯羹。