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

2018-03-13 10:13 次阅读

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。”

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。

原文标题:【产业报道】Crossbar ReRAM存储技术 人工智能芯片延续摩尔定律的秘密

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SN74BCT2414 具有片上电源监控器的双路 2 线路至 4 线路存储器解码器

The SN74BCT2414 is a decoder specially designed to be used in memory systems with battery backup during power failure. The two independent 2-line to 4-line decoders with separate and common control inputs may be externally cascaded to implement a 3-line to 8-line decoder. The circuit has two supply voltage inputs: the voltage monitor (bandgap) is powered via the VCC terminal; the internal logic of the circuit is powered via the Vbat terminal. In case VCC drops below 3.65 V (nominal), the voltage monitor forces the voltage-control (VS) and decoder outputs (Y) to the high level. VS may be used to disconnect the supply voltage of the memories (Vbat) from the system supply. This output is switched off when the on-chip supply voltage monitor detects a power failure. The SN74BCT2414 is characterized for operation from 0°C to 70°C. 特性 BiCMOS设计大幅降低待机电流 两个独立的2线到4线解码器或一个3线到8线解码器 用于简易级联的独立使能输入 两个电...

发表于 08-28 11:28 10次 阅读
SN74BCT2414 具有片上电源监控器的双路 2 线路至 4 线路存储器解码器

SN74LS399 具有存储器的四路 2 输入多路复用器

这款带有存储器的单片四路双输入多路复用器提供了两个独立的MSI功能(SN54LS157 /SN74LS157和SN54LS175 /SN74LS175)的等效功能16引脚封装。 当字选输入为低电平时,字1(A1,B1,C1,D1)应用于触发器。字输入的高输入将导致选择字2(A2,B2,C2,D2)。所选字在时钟脉冲的正向边沿输出到输出端。 典型功耗为37毫瓦。 SN54LS399的特点是可在-55°C至125°C的整个军事范围内工作。 SN74LS399的特点是工作温度范围为0°C至70°C。 特性 'LS399 上的单轨输出选择两个4位数据源中的一个并与系统同步存储数据时钟 应用程序: 算术处理器中操作数和常量的双源;可以释放处理器寄存器文件以获取新数据 实现能够并行交换内容但保留外部负载能力的单独寄存器 用于实现各种移位模式的通用类型寄存器:甚至还有复合左 - 权利能力 参数 与其它产品相比 编码器和解码器   Function Technology Family VCC (Min) (V) VCC (Max) (V) Channels (#) Voltage (Nom) (V) F @ Nom Voltage (Max) (Mhz) ICC @ Nom Voltage (Max) (mA) tpd @ Nom Voltage (M...

发表于 08-23 16:16 6次 阅读
SN74LS399 具有存储器的四路 2 输入多路复用器