ReRAM 技术的选取及在数据中心应用中的评估

时间:2018-04-24 15:24来源:与非网

摘要:阻性随机存储器(ReRAM)是新一代存储器技术中最有希望的技术。它提供了可进一步微缩、高容量、高性能、高可靠的存储解决方案。

阻性随机存储器(ReRAM)是新一代存储器技术中最有希望的技术。它提供了可进一步微缩、高容量、高性能、高可靠的存储解决方案。
 
阻性随机存储器(ReRAM)是一种新型的非易失性(NVM)存储器,特别适用于云端和数据中心这些需要不断提升性能和能效的应用场景【1】。人们对数据的需求透过各种服务不断增长,如视频流服务;机器通过物联网(IoT)对数据的需求也在不断增长。ReRAM技术比Flash闪存具备更低的延迟、更快的写速度,同时还可实现每存储单元64pJ的低能耗,这意味着比NAND Flash闪存低20%的能耗。
 
在数据中心的环境中,3D垂直堆叠的ReRAM阵列提供了高性能的存储器子系统,具备了替代传统的DRAM或者基于Flash存储的SSD固态硬盘的能力,加速了数据处理、存储,并且满足了对更小的物理尺寸和更低的能耗需求。通过使用ReRAM,在一个实现1GIOPS/U性能的架构下,低于5纳秒的延迟性能成为可能。
 
一个典型的ReRAM存储单元包含了像三明治一样被夹在两个金属电极之间具备不同阻性特征的转换材料。ReRAM的电阻转换效果是基于离子在电场的影响下在转换材料中对离子分布所具备的存储能力。这会引发ReRAM器件产生可测的阻值的变化,并减小对电介质的破坏所带来的存储器长期使用过程中性能的下降。
 
ReRAM最常见的技术挑战是对温度的敏感性、与标准CMOS工艺的集成技术和制造工艺,以及ReRAM单元个体上的选通机制。因此,基于不同的转换材料和对存储器单元组织构造的选取,设计人员采用了各种不同的方法来实现ReRAM技术。
 
综合地考量这些变量参数,他们会导致ReRAM性能上的显著差异。因此,在评估ReRAM技术时,应该重点考虑四个关键领域:
 
·可大规模制造性
·性能
·容量密度
·能耗
 
让我们逐一地进一步分析这些方方面面。
 
可大规模制造性
在ReRAM器件的制造过程中,要优先选取CMOS友好的材料和标准的制造工艺流程。因为这意味着它能够方便、容易地集成在两根金属线之间,并同CMOS IP逻辑电路直接连接在一起,在现有的代工厂里生产而无须特殊的设备和材料(图1)。因为ReRAM是在低温后道(back-end-of-line/BEOL) 工艺中集成,在CMOS逻辑晶圆上可以集成多层ReRAM阵列,从而实现3D ReRAM存储芯片。这就使得在单个芯片上实现了包含了片上非易失性存储器、处理器核以及模拟子系统的完备而低成本的单芯片解决方案成为可能。
 
 
Figure 1使用标准CMOS工艺流程的ReRAM制造流程
 
Flash闪存利用存储单元存储电子的机理来工作。Flash闪存的存储单元中电子的损失会带来可靠性、数据保持力以及擦写次数方面的问题。这些都会带来存储器器件的降质。与此相较,Crossbar的ReRAM存储单元是基于绝缘层中的金属导电细丝来工作的。Crossbar的ReRAM存储器的工艺微缩不会影响器件的性能因而具备微缩到10nm以下的能力。
 
 
Figure 2 Crossbar ReRAM的存储单元操作使得可微缩至10nm以下工艺而不会带来品质下降
 
性能
在program操作上,目前的MLC/TLC NAND或者3D NAND闪存需要600us到1ms的时间来完成8到16kB的页program操作,需要大约10ms的时间来完成4到8MB的块擦除(block erase)操作。
 
NAND闪存在program操作之前,必须有擦除操作。在NAND闪存上,需要一个额外的数据管理层 -- 垃圾回收机制,在存储系统空闲的时间来正确地释放存有过时数据的数据块。当垃圾回收机制正在进行数据块与块之间的搬移时,会给这时候到来的数据请求带来问题,将会引入一个秒级的长而不可预知的延时。其结果是,SSD的写通常包括了在SSD控制器、NAND闪存和DRAM器件上多次的写数据操作,开始是保存数据,后续是在多个垃圾回收的循环过程中搬移有效数据。因此,一个寻常的写操作会引发比主机系统所要求的数据多得多的数据写入到SSD的闪存里。这就是写入放大(WA)。
 
WA不是我们所期望的。因为它意味着被写进介质的数据要比我们所期望的数据更多。这增加了器件的磨损,并且耗费了更多的带宽资源从而负面地影响了性能。这些浪费的带宽本来是可以有目的地被用来进行闪存的有效操作。这一问题在更小的工艺节点就更加突出。NAND在更小的工艺节点上,擦写次数会降低到3,000次以下。
 
相反地,ReRAM使用bit翻转而无须擦除的操作,实现了比NAND闪存低100倍的读延迟,以及比NAND快1000倍的写性能,突破了NAND闪存需要构建一个大擦除块阵列的限制。ReRAM支持原子级操作的能力允许了更小页(例如,256字节页而不是NAND的16kB页)的架构。每个页都是可以单独被重新写入。这种架构通过去除大量的用于垃圾回收的后台存储器来解除存储控制器的工作负担。当NAND闪存系统通常会有3到4倍的WA时,ReRAM的特性会使WA等于1。这都使得基于ReRAM的存储方案在读、写延迟,能耗和寿命上具备明显优势。
 
为ReRAM而优化的下一代SSD控制器将会使更小页的更新更加快速,进一步减少了NAND所带来的后台存储器操作,并且提供了更低的、几十微秒级别而更加确定的读延迟。
 
能耗
减少后台存储器操作数不但可以提升数据存储解决方案的性能和总寿命,而且还可以降低存储控制器的总功耗、DRAM的使用、以及数据存储器件的读写功耗预算。
 
容量密度
潜行电流(或漏电流)是高容量ReRAM在技术上所面临的的一项挑战。通过在1TnR存储器单元阵列上使用选通器可以降低这种漏电流。这意味着可以使用一个晶体管来控制大量的互连在一起的存储单元。这就使得高容量的固态存储成为可能。
 
当1TnR在低功耗下使用一个晶体管来驱动超过2,000个存储器单元时,潜行通道的漏电流就会提高。这会影响ReRAM阵列的性能和可靠性。Crossbar的现场辅助超线性阈值器件已经成功地在4Mb的3D可堆叠的被动型集成阵列上展现了能够把漏电流抑制到0.1nA以下的性能。其选通性达到了10^10,这在已知的报道中是最高的。并且它实现了小于5mV/dec的极其陡峭的开启坡度,快速开启和恢复(<50ns),大于100M写次数的寿命,低于300°C的工艺温度。
 
更快、更有效的云端和数据中心存储
ReRAM为下一代企业存储提供了更快、更大容量、超低延迟的解决方案来服务于日益增长的数据需求。当存储器件的能耗和使用寿命成为云端和数据中心的总拥有成本(TCO)的关键考量时,ReRAM的先进性和不断增长的存储容量将继续驱动ReRAM的价值定位。

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