中芯国际出样40nm工艺的ReRAM意义何在？

　　作为中国本土半导体制造的龙头企业，中芯国际（SMIC）的新闻及其取得的成绩一直是行业关注的焦点。2017新年伊始，其一如既往地吸引着人们的眼球。前几天，该公司宣布正式出样采用40nm工艺的ReRAM（非易失性阻变式存储器）芯片，并称更先进的28nm工艺版很快也会到来。

　　目前，在ROM存储领域，NAND闪存无疑是绝对的主流，保守点说，3、5年内它都会是电子设备存储芯片的主流选择，但研究人员早就开始探索新一代非易失性存储芯片了，Intel与美光联合研发的3D XPoint，是基于PCM相变存储技术，也被称为是新一代存储芯片，而ReRAM更是颇具代表性的新型非易失性存储器。

　　

　　ReRAM为何物

　　虽然ReRAM的名字中带RAM，但其实是像NAND闪存那样用作数据存储的ROM，只不过它的性能更强，据说，其密度比DRAM内存高40倍，读取速度快100倍，写入速度快1000倍。ReRAM单芯片（200mm2左右）即可实现TB级存储，还具备结构简单、易于制造等优点。

　　ReRAM基于忆阻器原理，将DRAM的读写速度与SSD的非易失性结合于一身。换句话说，关闭电源后存储器仍能记住数据。如果ReRAM有足够大的空间，一台配备ReRAM的PC将不需要载入时间。

　　ReRAM的优势

　　与NAND闪存相比，ReRAM具备诸多优点，具体如下：

　　速度：ReRAM写速度更快，以纳秒为单位而不是毫秒，这使它更适应于高性能应用。

　　功率：研究人员已经证明，微安培写入功率并期望很快将进一步降低到纳安范围，这使得ReRAM比NAND闪存能效更高。

　　耐用性：最常见的MLC闪存只能处理10000次写操作，而ReRAM却可以处理数百万个。

　　

　　ReRAM应如何定位

　　在可预见的未来，NAND闪存将保留在成本和密度上的优势，这意味着它仍将在未来几十年存活下去。那么ReRAM在存储应用中要如何定位呢？

　　数据完整性：关键任务应用更喜欢ReRAM，而且关键是买得起；

　　性能：固态硬盘这种高速存储介质消除了复杂性并提高了性能；

　　移动性：网络宽带和内存容量之间进行着一场永无止境的拉锯战，在这种情况下，消费者可能会喜欢上他们移动设备的大容量存储。如果是这样， ReRAM节能的优点将在高端产品有所体现。

　　群雄逐鹿ReRAM

　　目前，致力于商业化ReRAM的企业包括东芝、Elpida、索尼、松下、美光、海力士、富士通、Crossbar等。

　　东芝凭借其类似于今天1.5万转硬盘的固态硬盘，开始涉足这些高端市场。这可能不是一个巨大的市场，但是其高利润率还是值得一试的。

　　其他厂商，包括松下、美光和三星，也正在致力于ReRAM的研发。

　　其实，美光早在2007年就提出了这种技术，此后几乎每年都会透露一些进展，但就是距离量产遥遥无期。

　　

　　图：设计指标与内核局部照片

　　美光是和索尼联合研发ReRAM的，其基本原理和Crossbar RRAM有些类似，同样是非易失性存储，但是更强调电阻可变，同时为了区分，缩写也有所不同。

　　美光曾经表示，理想的指标是读写带宽1000MB/s、200MB/s，读写延迟2微秒、10微秒，而目前的原型可以发挥大约九成的功力。

　　

　　图：内部互连结构示意图

　　中芯国际联手Crossbar

　　此次，中芯国际推出的ReRAM样片，其直接客户就是Crossbar，该公司资料显示，Crossbar技术首先由中国出生的卢伟（Dr. Wei D. Lu）博士研发，他也是Crossbar的首席科学家和联合创始人。卢博士拥有中国清华大学物理学士学位，以及德克萨斯州莱斯大学物理学博士学位。卢博士在ReRAM领域积累了十二年的研究经验，他先作为哈佛大学的博士后研究员，然后被任命为密歇根大学教授从事这项研究。他是纳米结构和设备行业的领先专家，包括基于双端电阻开关设备的高密度内存和逻辑系统、神经元电路、半导体纳米线设备和低维系统中的电子输运。

　　2016年，Crossbar获得了8000万美元的风投，其中中国公司也参与了，而Crossbar去年3月份也宣布进军中国市场，他们的合作伙伴就是中芯国际，将基于后者的40nm CMOS试产ReRAM芯片。根据该公司副总裁Sylvain Dubois所说，2016年内中芯国际已经开始给客户出样40nm工艺的ReRAM芯片，实现了该公司之前2016年内推出ReRAM的承诺。

　　此外，更先进的28nm工艺版ReRAM芯片也将在2017年上半年问世，不过Sylvain Dubois未透露是否还是由SMIC生产，或是交给其他代工厂。

　　当ReRAM遇上人工智能

　　包括脸书、亚马逊、微软、谷歌、阿里巴巴、腾讯、百度等，都在产生大量的数据，包括人脸、位置、行为习惯、社交照片等。物联网已经到来，而且正在指数级的增长；自动驾驶汽车已经进入市场，云计算已经无处不在。我们刚开始想象如何借助于这些创新来开创一个人工智能的新时代，创建新的商业模式、新的生产率典范和新的大众娱乐方式，这些不仅对人类带来意义深远的影响，而且也为通过数据盈利的创新者带来巨大的财富。

　　收集与存储这些“大”数据是当务之急。但是，比数据有多“大”更为重要的是，如何驱动下一波的创新。在人工智能竞赛中的胜出者需要做四件事：1、访问大量的数据；2、访问正确的数据；3、把数据变为具有可行动性的洞察力的强大算法；4、超越竞争对手的速度和规模。今天，通过训练人工智能算法与创建新的应用，数据有机会成为利润中心。更多的数据训练，就会让人工智能算法更聪明。

　　应用ReRAM这样新的存储技术，能够发挥人工智能真实的潜能，实现速度、低功耗/高能效、存储容量与可制造性的完美结合。

　　当目标从简单的代码行的抓取，转变成对从外部传感器获取的大量数据进行实时处理、分析、执行时，大数据到人工智能的根本转变就来临了。从传感器来的数据可以存储在芯片上，直接输送给深度神经网络，以便采取直接的行动。非易失性的存储技术，比如ReRAM存储技术，通过低功耗、快速读取、基于字节寻址的写操作，来帮助应对性能与功耗的挑战。

　　ReRAM存储技术能够直接集成在芯片内部，产生一个新的以存储为中心的片上系统架构。通过与处理器核集成在同一颗芯片中的片上系统方案，ReRAM充分地加速了深度神经网络算法。ReRAM技术是一个重要的创新，它加速人工智能的潜能，实现多种应用，加速性能，极大地提高能效，实现更高级的安全性，减少芯片的数量和芯片的面积。

　　高性能计算，比如人工智能，需要在处理器、存储与输入输出之间进行高带宽、低时延的数据访问。ReRAM存储技术通过减少计算与存储之间的性能差距，可显著提升高性能计算应用的性能。