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儘管快閃記憶體仍然是最流行的非易失性儲存器 (NVM)，但一些應用程式開始採用其他型別的嵌入式 NVM 技術，因為嵌入式快閃記憶體無法超越 28nm，也因為其成本、功耗和效能優勢。
包括電阻式 RAM (ReRAM)、相變儲存器 (PCM)、磁阻式 RAM (MRAM) 和鐵電式 RAM (FRAM) 在內的儲存器提供了替代方案。每種技術在成本、複雜性、功率和效能方面都有各自的優勢和挑戰。然而，ReRAM 提供了最佳平衡，正成為許多應用中替代快閃記憶體的首選。
ReRAM 技術已在市場上部署，新設計正在加速。採用時間表因應用而異，取決於不同工藝節點和代工廠的 ReRAM 可用性，以及密度和認證要求。讓我們來看看 ReRAM 開始受到關注的一些應用。
電源管理 IC
ReRAM 最先獲得立足點的領域之一是電源管理 IC (PMIC) 和其他高壓設計。每臺電子裝置都至少有一個 PMIC 管理系統配電，而且對可程式設計 PMIC 的需求日益增加，以支援增強型無線充電和智慧電機控制器等趨勢。對於這些裝置，PMIC 必須是智慧的，並且能夠執行多種演算法，這就需要一個微控制器 (MCU) 和一個低功耗、高密度且經濟高效的 NVM。
為了降低成本和功耗，人們開始超越雙晶片解決方案，將 MCU 與其 NVM 單片整合在單個晶片上，並配備電源管理電路。嵌入式快閃記憶體太昂貴，需要多達 10 個額外的掩模來製造。快閃記憶體也很難整合，因為它是在前端線路 (FEOL) 製造的，與類比電路一起製造並影響它，迫使公司做出妥協，導致效能下降、尺寸增大和成本增加。這對於使用雙極-CMOS-DMOS (BCD) 工藝製造的裝置尤其成問題，因為在這種工藝中，人們投入了大量精力來最佳化 FEOL 電源元件。
ReRAM 是一種後端製程 (BEOL) 技術，因此不會干擾 PMIC 設計。與必須適應每種變體的快閃記憶體不同，像 ReRAM 這樣的 BEOL 技術也可以針對一種幾何結構採用一次，並適用於所有變體。而且由於 ReRAM 只需要兩個額外的掩模，因此它的成本效益顯著提高。採用 ReRAM 的 PMIC、音訊編解碼器和其他高壓設計已經投入生產。
物聯網、MCU 和邊緣 AI
使用智慧 MCU 的低功耗物聯網裝置市場持續增長。愛立信移動報告估計，聯網物聯網裝置的數量將從 2023 年的約 157 億臺增加一倍以上，達到 2029 年的約 388 億臺。
此類超低功耗裝置必須支援日益複雜的程式設計。它們需要 NVM 具備必要的超低功耗、高效能、低總擁有成本以及即使在惡劣或無法訪問的條件下也能保持高資料保留率。當這些裝置還必須執行簡單的邊緣 AI 任務時，降低功耗和成本就顯得更加重要。
設計人員越來越多地將 NVM 整合到 28nm 及以下的 MCU 和片上系統 (SoC) 裝置中——從在軟體中執行簡單邊緣 AI 的 TinyML 裝置，到帶有 AI 加速器的裝置，再到完整的邊緣 AI 推理。嵌入式 ReRAM 在所有這些應用中都比外部快閃記憶體具有顯著優勢，並且現在已開始提供樣品。設計人員可以透過消除外部儲存器元件來降低成本，並且無需從外部儲存器獲取資料，他們可以降低功耗並提高系統速度。單晶片解決方案也更安全，可以防止駭客入侵。
由於 ReRAM 整合在BEOL 中，因此無需在電源/模擬元件方面做出妥協
在邊緣 AI 設計中，除了程式碼儲存之外，ReRAM 還可以儲存人工神經網路 (ANN) 計算所需的突觸權重。ANN 計算所需的大部分功率與系統計算元件和記憶體模組之間的資料移動有關。透過將密集、低功耗的 NVM（如 ReRAM）整合到更靠近計算元件的位置（近記憶體計算），可以減少這種資料移動。這些陣列通常需要大量片上記憶體，介於 10Mb 到 100Mb 之間，具體取決於網路規模。
未來，ReRAM 將成為神經形態（記憶體）計算的基石，其中計算發生在記憶體單元內。由於 ReRAM 單元在物理和功能上與人類大腦中的突觸相似，因此可以使用 ReRAM 模擬大腦的行為，以快速實時處理大量資料。這比當今的神經網路模擬要節能幾個數量級，並且需要更多時間才能成熟。
汽車
汽車市場非常廣泛——從用於自動車窗的微型電子控制單元 (ECU) 到先進的自動駕駛技術。超過 1,000 個晶片控制著車輛的各種功能，幾乎所有晶片都需要一些 NVM。
許多汽車 MCU 正在轉向 28nm 及以下工藝，以加快執行速度並處理大量資料。它們需要支援快速啟動、即時響應和頻繁無線 (OTA) 更新的 NVM，並且通常在惡劣條件下進行。這種 NVM 必須具有出色的耐用性，在極端溫度下執行時能夠快速、可靠、安全且經濟高效地執行程式碼。ReRAM 是合乎邏輯的選擇，幾家主要的汽車晶片供應商已經決定依賴它。由於符合特定溫度的要求以及 ISO26262 和 AEC-Q100 等認證，這些應用距離量產還有幾年的時間，但設計人員已經開始對整合 ReRAM 的汽車晶片組進行取樣。
嵌入式 NVM 比較
安全應用程式
無論是 SoC 安全解決方案（例如物理不可克隆函式 (PUF) 和真隨機數生成器 (TRNG)），還是用於智慧卡等安全應用的嵌入式 NVM，ReRAM 都提供了固有安全的解決方案。與快閃記憶體等浮柵裝置不同，ReRAM 不使用電荷，因此更難使用電子束感測/更改其內部狀態。它不受電磁場的影響，因此 ReRAM 可以輕鬆抵禦磁攻擊。由於 ReRAM 位單元深深嵌入在 BEOL 整合的兩個金屬層之間，因此它更能抵禦光學攻擊。而且由於 ReRAM 可以擴充套件到小几何形狀，因此關鍵資訊可以嵌入晶片中，而不存在晶片間通訊攻擊。
ReRAM 是許多應用的未來
由於幾乎每種電子產品都需要 NVM，因此 ReRAM 的目標應用非常廣泛。嵌入式快閃記憶體已達到極限，而 ReRAM 正成為新時代電子裝置的首選。它已開始批量出貨，越來越多的代工廠、IDM 和半導體公司致力於將 ReRAM 作為其未來路線圖中的領先嵌入式 NVM。
https://www.designing-electronics.com/a-new-era-for-embedded-memory/
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