电阻随机存取存储器（RRAM）常见问题解答

目前有许多非易失性存储技术在使用;RRAM也是一个选择——也许吧。

随机存取存储器（RAM），有时也被称为读写（R/W）存储器，对现代电子系统至关重要。少量需要作为数值记录板或存储数据样本以进行处理;存储嵌入式程序需要适量的存储;而且需要大量存储几乎所有东西，比如历史数据、视频、图片、音频等。

非易失性存储器（NVM）存储的数据可以被覆盖，但在断电时仍保留数据;相比之下，易失性内存在缺电时会失去保留能力。由于RAM用途广泛，它采用了多种底层技术和类型，包括各种固态方式以及机电式，如磁盘驱动器甚至“老式”磁带驱动器（至今仍在广泛使用！）。每种方案提供不同的属性组合，以最佳匹配应用需求和优先级，如容量、访问速度、物理尺寸、寿命、读写周期、功耗、支持电路复杂度和成本。

本常见问题将介绍一种较少为人知但商业可用的RAM技术，称为电阻随机存取存储器（RRAM）或ReRAM。它是一种固态、非易失性存储器，可以作为独立的功能模块使用，但更常集成在嵌入式片上系统（SoC）中，以满足适度的本地内存需求。

简而言之，它通过改变介电固态材料在核心的电阻来工作;这个磁芯通常被称为忆阻器，尽管许多行业专家并不认为它是真正的忆阻器（这又是另一个时间和地方的讨论）。与许多固态及其他技术设备一样，其功能需要对固态物理、材料科学、工艺技术、技术等有深入的理解。

一如既往，RRAM带来了永恒的创新问题：到底是谁会想到这些东西？谁有毅力坚持到底，最终取得成功？RRAM再次体现了科幻作家亚瑟·克拉克的深刻言论：“任何足够先进的技术都与魔法无异。”

本常见问题解答将概述RRAM：其工作原理、功能、适合的地方、其历史介绍及更多内容。这不会是权威的阐述，但如果你需要更多见解，可以附带不同长度和技术深度的参考文献链接。

问：它有哪些关键特征？
答：近年来，RRAM因其结构简单、保存时间长、高速运行、超低功耗作能力、能够扩展到更低维而不影响器件性能，以及在高密度应用中实现三维集成的可能性而受到更多关注。

问：RRAM背后的原则是什么？
答：RRAM的器件结构是一个简单的类似电容器的金属绝缘体-金属（MIM）结构，开关层夹在两个金属电极之间，图1中展示了两个视角。MIM结构的电阻可以通过施加适当的电信号来改变，器件保持电流电阻状态，直到施加适当的信号改变电阻，从而体现器件的非易失性特性。

图1。（顶部）RRAM金属绝缘体-金属结构示意图;（底部）RRAM及其切换特性概述。（a， b）RRAM装置的示意图，包括导电丝。（图片来源：美国国立卫生研究院/国家医学图书馆;美国化学学会/化学评论)

问：这看起来很简单，但现实是什么？
答：不要被基本图的简单性误导：现实是复杂且复杂的。

问：您能否简单介绍一下RRAM的工作原理？
答：RRAM背后的物理现象是一种电阻开关（RS），这意味着设备在外部电刺激下可以被编程为高阻值状态（HRS，或关闭状态）或低阻抗状态（LRS，或ON状态）。在RRAM中，这种器件电阻的变化通过施加外部电压脉冲在电极两端而变化。

RRAM设备利用氧化还原（氧化和还原）反应进行有效数据存储。这些反应在绝缘体内的两个金属电极之间形成导电丝（CF）。通过施加外部电脉冲，灯丝在RRAM的两个金属电极之间形成，器件被称为低阻值（逻辑态“1”）。当灯丝破裂时，器件会转变为高电阻状态（逻辑状态“0”）。

ReRAM涉及在一层薄氧化层中产生缺陷，这些缺陷称为氧空位（氧气被移除的氧化物键位），这些缺陷随后可能带电并在电场下漂移。氧化物中氧离子和空位的运动类似于半导体中电子和空穴的运动。

图2。VCM的开关机制利用氧化还原（氧化和还原）反应。（图片来源：美国国立卫生研究院/国家医学图书馆)

问：具体情况是什么？
答：虽然有多种方式实现开关动作，但大多数方法通过夹在RRAM器件底部电极和顶部电极之间的电阻开关层中氧离子迁移实现电阻开关。这导致导电丝路径的形成。基于价变记忆（VCM）的RRAM设备的切换机制，展示了氧离子迁移和扩散过程，如图2所示。

问：这一切看起来相当紧张，是吗？
答：是的，确实如此。在形成过程中，氧离子由于高电场导致的软介质击穿，向阳极界面移动，在电阻开关层中留下氧气空位。因此，缺陷被产生，进而形成囊性纤维化。在记忆单元从LRS过渡到HRS时，重置过程发生，氧离子返回整体并与氧空位重新结合。

基于VCM的RRAM器件中的电阻切换可以通过进一步调节初始形成的导电丝，控制施加的外部电场的大小来调节。图3展示了RRAM作机制的流程图。

图3。a）RRAM的电流-电压图。b）典型的I–V特征，包括成形阶段。（图片来源：美国国立卫生研究院/国家医学图书馆)

问：能否提供更多关于物理序列的细节？
答：RRAM切换阶段的扫描顺序如图4所示。

图4。这是对RRAM切换阶段的更详细描述。（图片来源：美国国立卫生研究院/国家医学图书馆)

问：单个内存位很有趣但没什么用——那内存数组呢？
答：如何实现这一点是RRAMs相关的一个问题。所谓的单晶体管一电阻（1T1R）架构在某些方面更受青睐，因为晶体管将电流隔离到被选中的单元。另一方面，交叉点架构更紧凑，可能支持垂直堆叠内存层，非常适合大容量存储设备。选择和制造可行阵列存在许多性能、一致性、制造性和支持电路方面的问题。

问：RRAM开发的历史是怎样的？
答：通常情况下，这类进展需要较长的孕育期，从“这真的可能吗？”到实际工作模型，再到商业版本。一些最初的概念化和实验是在20世纪60年代完成的。

然而，这一努力直到惠普——当时领先的测试与测量公司，后来剥离了T&M部门，拆分为“企业软件”公司和硬件供应商——开发了一种名为忆阻器的设备，并将其宣传为存储技术的“下一个大趋势”。他们的宣传引发了新的关注，最终发展成RRAM设备，如图5的时间线所示。

图5。以下是RRAM从1962年到2021年的发展简要历史。（图片来源：美国国立卫生研究院/国家医学图书馆)

问：RRAMs是否用于任何标准产品中？
答：虽然RRAM尚未达到其倡导者的承诺（或炒作），但已经有一定的商业化趋势。例如，英飞凌坚持认为RRAM优于传统的NOR Flash、EEPROM和磁性RAM解决方案，并使所谓“边缘”设备能够实现先进的AI/ML技术。他们提供带有RRAM的微控制器系列，用于NVM角色。

他们指出的理由之一是嵌入式系统需要启动代码的长期可靠内存，而RRAM提供20年的数据保存能力，以及辐射和磁性耐受性。数据记录等应用以对少量数据的高重复写入为特征。RRAM的高耐力和字节粒度写入支持绝大多数此类工作负载，展示了内存的多功能性。

英飞凌RRAM存储单元采用金属氧化物开关材料，设计为单晶体管单电阻（1T1R）配置。切换能量低，切换速度快，耐力高。该存储器可通过标准CMOS制造工艺制造，且已被证明可扩展至30纳米以下。

英飞凌进一步指出，与NOR闪存架构相比，RRAM的一个关键优势是驱动程序设计的简化，原因有两个。首先，RRAM技术在重写到内存前不需要擦除命令。其次，它还支持字节粒度写入，而非 NOR 的页面级写入命令。更少的指令和内存作也增强了RRAM技术固有的功率、性能和续航优势。

问：还有其他使用嵌入式RRAM的产品吗？
答：是的，Nordic Semiconductor nRF54L 系列无线系统单片（SoC）集成了超低功耗、多协议的 2.4 GHz 无线电与微控制器，采用 128 MHz Arm® Cortex-M33® 处理器，见图 6。SoC 包括 500 KB 至 1524 KB 基于 RRAM 的非易失性内存（取决于具体版本），以及 96 KB 到 256 KB 的“常规”内存。

图6。nRF54L系列的片上系统（SoC）设备实现了完整的多协议、多格式无线链路，并集成了RRAM和传统RAM。（图片来源：Nordic Semiconductor)

问：如果RRAM有这么多优点，为什么它没有取得更大的成功？
答：这个问题没有简单、单一的答案。答案取决于潜在用户的优先事项、他们愿意做出的权衡，以及供应商的制造考虑因素。

完整的RRAM子系统涉及在设计复杂度、更高内存密度下的性能扩展性、功耗需求、制造一致性与内存容量、寿命、性能与温度波动、长期可靠性、芯片占地和成本等方面进行权衡和优先级权衡。和大多数设计场景一样，没有唯一正确或最佳的答案。

迄今为止，RRAM仅在一些明确的细分领域取得成功。当然，这种情况可能会改变，而且有许多技术尚未“准备好进入黄金时段”，但一直处于第二位，直到多种发展的组合改变了局面。未来几年RRAM的表现如何，我们还得拭目以待。