ReRAM，替代闪存的首选

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尽管闪存仍然是最流行的非易失性存储器 (NVM)，但一些应用程序开始采用其他类型的嵌入式 NVM 技术，因为嵌入式闪存无法超越 28nm，也因为其成本、功耗和性能优势。

包括电阻式 RAM (ReRAM)、相变存储器 (PCM)、磁阻式 RAM (MRAM) 和铁电式 RAM (FRAM) 在内的存储器提供了替代方案。每种技术在成本、复杂性、功率和性能方面都有各自的优势和挑战。然而，ReRAM 提供了最佳平衡，正成为许多应用中替代闪存的首选。

ReRAM 技术已在市场上部署，新设计正在加速。采用时间表因应用而异，取决于不同工艺节点和代工厂的 ReRAM 可用性，以及密度和认证要求。让我们来看看 ReRAM 开始受到关注的一些应用。

电源管理 IC

ReRAM 最先获得立足点的领域之一是电源管理 IC (PMIC) 和其他高压设计。每台电子设备都至少有一个 PMIC 管理系统配电，而且对可编程 PMIC 的需求日益增加，以支持增强型无线充电和智能电机控制器等趋势。对于这些设备，PMIC 必须是智能的，并且能够运行多种算法，这就需要一个微控制器 (MCU) 和一个低功耗、高密度且经济高效的 NVM。

为了降低成本和功耗，人们开始超越双芯片解决方案，将 MCU 与其 NVM 单片集成在单个芯片上，并配备电源管理电路。嵌入式闪存太昂贵，需要多达 10 个额外的掩模来制造。闪存也很难集成，因为它是在前端线路 (FEOL) 制造的，与模拟电路一起制造并影响它，迫使公司做出妥协，导致性能下降、尺寸增大和成本增加。这对于使用双极-CMOS-DMOS (BCD) 工艺制造的设备尤其成问题，因为在这种工艺中，人们投入了大量精力来优化 FEOL 电源组件。

ReRAM 是一种后端制程 (BEOL) 技术，因此不会干扰 PMIC 设计。与必须适应每种变体的闪存不同，像 ReRAM 这样的 BEOL 技术也可以针对一种几何结构采用一次，并适用于所有变体。而且由于 ReRAM 只需要两个额外的掩模，因此它的成本效益显著提高。采用 ReRAM 的 PMIC、音频编解码器和其他高压设计已经投入生产。

物联网、MCU 和边缘 AI

使用智能 MCU 的低功耗物联网设备市场持续增长。爱立信移动报告估计，联网物联网设备的数量将从 2023 年的约 157 亿台增加一倍以上，达到 2029 年的约 388 亿台。

此类超低功耗设备必须支持日益复杂的编程。它们需要 NVM 具备必要的超低功耗、高性能、低总拥有成本以及即使在恶劣或无法访问的条件下也能保持高数据保留率。当这些设备还必须执行简单的边缘 AI 任务时，降低功耗和成本就显得更加重要。

设计人员越来越多地将 NVM 集成到 28nm 及以下的 MCU 和片上系统 (SoC) 设备中——从在软件中运行简单边缘 AI 的 TinyML 设备，到带有 AI 加速器的设备，再到完整的边缘 AI 推理。嵌入式 ReRAM 在所有这些应用中都比外部闪存具有显著优势，并且现在已开始提供样品。设计人员可以通过消除外部存储器组件来降低成本，并且无需从外部存储器获取数据，他们可以降低功耗并提高系统速度。单芯片解决方案也更安全，可以防止黑客入侵。

由于 ReRAM 集成在BEOL 中，因此无需在电源/模拟组件方面做出妥协

在边缘 AI 设计中，除了代码存储之外，ReRAM 还可以存储人工神经网络 (ANN) 计算所需的突触权重。ANN 计算所需的大部分功率与系统计算元件和内存模块之间的数据移动有关。通过将密集、低功耗的 NVM（如 ReRAM）集成到更靠近计算元件的位置（近内存计算），可以减少这种数据移动。这些阵列通常需要大量片上内存，介于 10Mb 到 100Mb 之间，具体取决于网络规模。

未来，ReRAM 将成为神经形态（内存）计算的基石，其中计算发生在内存单元内。由于 ReRAM 单元在物理和功能上与人类大脑中的突触相似，因此可以使用 ReRAM 模拟大脑的行为，以快速实时处理大量数据。这比当今的神经网络模拟要节能几个数量级，并且需要更多时间才能成熟。

汽车

汽车市场非常广泛——从用于自动车窗的微型电子控制单元 (ECU) 到先进的自动驾驶技术。超过 1,000 个芯片控制着车辆的各种功能，几乎所有芯片都需要一些 NVM。

许多汽车 MCU 正在转向 28nm 及以下工艺，以加快运行速度并处理大量数据。它们需要支持快速启动、即时响应和频繁无线 (OTA) 更新的 NVM，并且通常在恶劣条件下进行。这种 NVM 必须具有出色的耐用性，在极端温度下运行时能够快速、可靠、安全且经济高效地执行代码。ReRAM 是合乎逻辑的选择，几家主要的汽车芯片供应商已经决定依赖它。由于符合特定温度的要求以及 ISO26262 和 AEC-Q100 等认证，这些应用距离量产还有几年的时间，但设计人员已经开始对集成 ReRAM 的汽车芯片组进行采样。

嵌入式 NVM 比较

安全应用程序

无论是 SoC 安全解决方案（例如物理不可克隆函数 (PUF) 和真随机数生成器 (TRNG)），还是用于智能卡等安全应用的嵌入式 NVM，ReRAM 都提供了固有安全的解决方案。与闪存等浮栅设备不同，ReRAM 不使用电荷，因此更难使用电子束感测/更改其内部状态。它不受电磁场的影响，因此 ReRAM 可以轻松抵御磁攻击。由于 ReRAM 位单元深深嵌入在 BEOL 集成的两个金属层之间，因此它更能抵御光学攻击。而且由于 ReRAM 可以扩展到小几何形状，因此关键信息可以嵌入芯片中，而不存在芯片间通信攻击。

ReRAM 是许多应用的未来

由于几乎每种电子产品都需要 NVM，因此 ReRAM 的目标应用非常广泛。嵌入式闪存已达到极限，而 ReRAM 正成为新时代电子设备的首选。它已开始批量出货，越来越多的代工厂、IDM 和半导体公司致力于将 ReRAM 作为其未来路线图中的领先嵌入式 NVM。

https://www.designing-electronics.com/a-new-era-for-embedded-memory/

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