[2010-05期]让内存拥有记忆力！——下一代存储器技术解析 转载请注明出处 电脑报（http://www.shudoo.com）
2010年第05期D版 责编：陈扬轶 特约作者：八戒 目前的RAM主要分为三类：静态RAM、动态RAM和闪存，各自都有优缺点，例如闪存是唯一能够在不通电的情况下进行数据保存的存储器，但是速度却很慢。一直以来电路设计师们正在寻求一个能够集成多种存储器类型到同一个芯片上的技术，虽然会增加复杂性和成本，但是却有可能获得最佳的性能。，从2000年的130nm到现在的45nm，今年内内存制程将能达到32nm，而在明年更有望达到22nm。目前，新的技术和制程已经可以制造更小、更快、节能和非易失性的存储器了，特别是RRAM技术的出现让大家看到了存储器新的希望……
RRAM，会记忆的内存？
RRAM也称ReRAM，全称Resistive RAM，中文译为电阻记忆体、记忆电阻（简称忆阻）。RRAM是一种具有记忆功能的非线性电阻，使用强相关电子类的材料（如NiO、PCMO等），这类型的材料可通过电流的变化控制阻值的变化，即是对材料施压电压脉冲后，材料的电阻阻值会发生剧烈改变，使材料成为高阻值；反之，若从另一个方向施加电压脉冲则会使材料转变成低阻值，运用阻值高、低的两种状态来储存位资料。如果将忆阻的高阻值和低阻值分别定义为1和0，就可以通过二进制的方式来存储数据。
RRAM的实现断电存储的技术原理
值得一提的是，每次电压被切断时，整个电阻就会被冻结；但当电压重新接通时，系统仍能“记得”之前停在哪里，从相同的电阻状态中“苏醒”。该器件像可变电阻那样工作，可以“记住”通过改变两端电压而改变的通过电流大小。因此该器件可以用作存储组件，当电流流向某个方向时“接通”，当电流流向相反方向时“关断”。电子工程师识别忆阻性电路组件的方法是通过器件的电压-电流关系。电阻代表了电压与电流的关系，忆阻器代表了磁通量与电荷的关系。随着时间的推移，累加磁通量就会形成电压、电荷就会形成电流。因此与磁通量和电荷相关的器件(比如忆阻器)将随着时间的流逝而与电压和电流相关，就像可变电阻那样，根据上面流过的电流大小和方向改变它的阻值。
RRAM判断“开”与“关”是通过检测电极的阻性
每个忆阻器有一个底部的导线与器件的一边接触，一个顶部的导线与另一边接触。忆阻器是一个由两个金属电极夹着的氧化钛层构成的双端，双层交叉开关结构的半导体。其中一层氧化钛掺杂了氧空位，成为一个半导体；相邻的一层不掺杂任何东西，让其保持绝缘体的自然属性，通过检测交叉开关两端电极的阻性，就能判断RRAM的“开”或者“关”状态。根据不同材料结构，RRAM的存储机理有多种解释．根据体效应和电极限制效应将阻变机理分成两大类，其中体效应是指发生在体内的电阻转变现象，而电极限制效应是指在电极与薄膜材料的界面处由表面态导致电阻转变的机理。由于RRAM是一种全新的存储技术，此前氧化物材料中电致电阻转变的物理机制不清楚，一直是制约RRAM存储实用化的主要障碍。目前，关于RRAM物理机制的研究已取得了较快进展。比如惠普公司在几年前就已经尝试将忆阻器用来创建全新存储器。不过，惠普无法找到可靠的材料作为RRAM的夹层，尽管公司尝试各种非易失性存储器材料做了好几年的试验。惠普曾用有机分子作为存储组件，但有机材料对高温的敏感性迫使惠普开始在无机领域寻找稳定的非易失性材料。后来惠普使用了相对稳定的无机材料如二氧化钛，才真正找到了利用阻性随机访问存储器超越闪存和其它替代性存储器技术的正确方法。
忆阻器排列成的电路图像
惠普公司采用奈米压印微影制程技术，已经完美地实现了一种制造超高密度正交金属线的纵横式阵列─纵横式交换器的制造方法。原子力显微镜下的一个有17个忆阻器排列成一排简单电路的图像。
速度更快，容量更大
除了独特的“记忆”功能之外，RRAM被业界看好是还因为两大原因。第一原因是存储器功能性增强：这些改进之处包括更短的随机访存时间、更快的读写速度，以及直接写入、位粒度和高耐读写能力。RRAM拥有几乎与DRAM相同的高速访问时间，以及超过105次涂写次数和非破坏性读取等特性。整合今天的闪存和快速动态随机访问存储器（DRAM）的部分特性，RRAM技术将存储器的功能提升到一个新的水平，最终不仅可以取代闪存，还能替代DRAM的部分用处，如常用操作码保存和高性能磁盘缓存。
RRAM的内部结构图，集成程度非常高
存储单元小和制造工艺可以升级是让人们看好RRAM的第二大理由。忆阻器件的尺寸很容易降低到几个纳米，相变物理性质显示制程有望升级到5nm节点以下（仅相当于人的一根头发丝的１万分之一那么细。），有可能把闪存确立的成本降低和密度提高的速度延续到下一个十年期。目前最先进的半导体芯片制程也只达到了22nm，且现有构架的半导体芯片制程进一步降低到20nm以下将是十分困难的，而未来采用纳米级的忆阻器件所构成的电路芯片，其器件集成度可以明显提高，极具备成本与性能上的优势。
与现在广泛使用的动态随机存储器和闪存相比，RRAM工作时需要的电压更低、时间更少，消耗的能量更低。与此同时，材料的忆阻状态只有在纳米水平上才能被察觉，这就意味着RRAM适用于更密集的电路组件构造，在同样大小的电路尺寸上能存储更多的数据。目前惠普在研制忆阻存储器件工作已经取得了比较突出的成果，他们已经能够在1平方厘米的硅片上存储100GB的数据，整合密度为100Gb/平方厘米，远高于现有的闪存的32Gb/平方厘米，也超过了目前硬盘的存储密度(现在存储密度最高的盘片可以实现300Gb/平方厘米，约合5.8GB/平方厘米)，未来将可能使忆阻存储器的存储密度提高到1TB/平方厘米以上。
未来若以大容量的忆阻存储器取代硬盘，则因硬盘访问速度较低所造成的瓶颈将会得到有效解决，这样忆阻存储器将能够像硬盘一样存储海量数据，同时又具有像DRAM一样的高速存取性能，计算机系统的整体性能将因此明显地提升。
电脑即开即用不再是梦！
能记忆流经它的电荷数量是RRAM的最有趣特征之一，这使得忆阻存储器作为一种非易失型计算机内存成为可能。也许数年后，当你打开电脑，系统能够快速的完成启动并从上次停止的地方开始运行。没有嗡嗡作响的硬盘驱动器或风扇，所有数据都直接从设备内的存储器进行读写。基于忆阻器部件的计算机，将无需费时耗能的启动过程，也不像使用传统DRAM的计算器那样，一旦切断电源就无法保存信息。这一功能将在“云计算”应用中发挥重要作用，“云计算”应用现已在IT基础设施中越来越盛行。云计算使用成千上万台服务器和存储器系统，这些系统需要大量的电能以存储、重新获取以及保护数以百万计的全球互联网用户的信息。
值得一提的是，RRAM这种记忆不是1和0这么简单，而是可以记忆包括从1到0之间所有的“灰色”状态，这类似于人类大脑搜集、理解一系列事情的模式。忆阻器的出现，让科学家能够用一种不同于编写计算机程序的方式来模拟大脑，或模拟大脑的某种功能，构造出基于忆阻器的仿真类大脑功能的硬件。这样的计算机可以做许多种数字式计算机不太擅长的事情，例如判定一个事物比另一个大，甚至是学习。
RRAM前景展望
RRAM内存由于新兴原理、新兴结构，它的出现显然具有十分重大的意义，它不仅为电子电路基本理论的发展提供了实验结果支持，同时也为新的技术跨越和新技术领域的拓展打下了基础。因此RRAM近年来也被赋予另一项新任务，即取代硬盘成为另一种记忆媒体，包括Flash、PRAM等都锁定在此。未来它将会朝着两个方向发展：一是Memory（取代传统内存，高速取向），另一则是Storage（取代传统硬盘、光盘，海量取向）。与目前广泛使用的存储器，包括使用闪存作为存储介质的SSD硬盘相比，基于忆阻器的存储设备具备耗电量更低、存储密度更大、速度更快、尺寸更小等一系列优点，甚至等到忆阻技术成熟之后，成本大幅下降的忆阻器设备将有望取代目前广泛使用的闪存以及温彻斯特结构的硬盘。目前三星、松下、富士通以及IMEC(欧洲的大学协作微电子中心)等都在进行类似于忆阻存储器的“变阻随机存取存储器”技术的研究和开发。另外，IBM、希捷、日立等也都在开发各自不同的新型存储技术，因此忆阻存储技术还很可能将面临与其它新一代存储技术的角逐。但从某种角度来看，这些技术竞争可能会更有利于加快忆阻技术的发展。
忆阻器还能让电脑理解以往搜集数据的方式，这类似于人类大脑搜集、理解一系列事情的模式，可让计算机在找出自己保存的数据时更加智能。迄今为止， 计算机所具有的“人工智能(AI)”都是通过十分复杂繁琐的智能软件算法实现的，而人类的思维活动在很多情况下采用是模糊逻辑。记忆电阻特有的记忆特性，为开发能够模仿人类大脑处理信息方式的全新的智能化节能型模拟式计算机硬件带来了曙光。
RRAM技术的最终目标是将现有单一电子产品中含有多样记忆设备成为单一记忆单元。可以预期的是，在未来的若干年时间中它将会更广泛地应用于具有各种各样新型智能化功能的电路芯片，乃至使电子与计算机科学技术等领域发生革命性的变化，我们不妨拭目以待。 
