RRAM：高性能嵌入式应用程序的非挥发记忆

高性能嵌入式系统中的内存
　　新兴连接的系统面临许多艰难的设计挑战。例如，尽管增加了数据和事件记录要求，但医疗设备（例如助听器，连续的葡萄糖监视器（CGM）和补丁）仍可以适合较小的外形，以实现远程监视和遵守行业标准。
　　接下来，行业4.0系统中的智能设备需要更大的代码存储，以促进诸如遥感，边缘处理和固件的遥控器（FOTA）更新，以进行远程维护。此外，在可穿戴设备和物联网（IoT）设备的边缘增加了人工智能（AI），这推动了在较小的形式中对高性能，节能的非挥发性记忆的需求。
　　此类系统的代码大小和数据记录要求的增加超过了微控制器的嵌入式非易失性存储能力。需要外部内存以匹配增加的密度和性能要求。但是，代码和数据通常需要不同的功能，具体取决于性能，密度，耐力和数据写入大小。
　　因此，可能必须使用多个非易失性记忆，例如用于数据记录的NOR Flash和用于代码存储的高密度EEPROM。这可能会导致系统使用多种类型的外部内存，增加系统成本，复杂性和能耗。
　　理想情况下，系统可以使用一个支持外部代码和数据存储的单个内存类型，而不会损害任何一个的性能或功能。作为独立外部记忆的新兴的非易失性技术是RRAM。
　　电阻公羊

　　电阻RAM（RRAM）是一种非易失性的随机记忆，在2000年代初在商业上可用。它通过更改夹在两个电极之间的开关材料的电阻来运行，图1中的左显示。

　　图1典型的RRAM存储单元由一个晶体管和一个电阻器（左）组成，并且通过在金属电极上应用外部偏置（右）来改变内存状态。资料来源：Infineon开关材料可以是金属氧化物或导电桥接开关介质。一个典型的RRAM存储单元由一个晶体管和一个电阻对（1T1R）组成，其中RRAM的电阻可以用跨金属电极施加的外部偏置改变，图1的右侧显示。
　　初，RRAM被开发为闪存的潜在替代品。当时，RRAM的成本和性能优势不足以取代其他非易失性记忆技术的优势，尤其是作为外部记忆。但是，近年来，已改变了一些因素，使RRAM成为引人注目的非易失性替代方案。
　　具体而言，随着嵌入式系统在较小的制造过程节点中变得更加集成和实现，具有较大的代码和数据存储要求，RRAM的以下优势超过了传统的非挥发性选项：
　　可伸缩性
　　一些非易失性记忆技术的扩展能力有限，转化为由于足迹，力量和成本而导致的整体记忆密度的限制。 RRAM的一个主要优点是它可以在兼容的CMOS过程中制造，从而使其能够扩展以处理低于45 nm甚至低至10 nm的节点。
　　例如，由于该技术在物理上限制在35至40 nm之间，记忆行业的成本效益扩展或闪存都很难扩展。可伸缩性直接影响性能，密度，足迹和能源效率。
　　直接写

　　NOR闪存的数据存储需要两个操作：擦除操作以清除目标地址，然后进行写操作。 RRAM的“直接写入”功能消除了首先擦除内存的需求。因此，存储数据只需要写操作。图2显示了写入Nor Flash和RRAM所需的操作。

　　图2或闪光灯需要在每次写操作之前进行擦除操作，增加写入时间，能耗和记忆单元上的磨损。 RRAM指导写作速度写操作，节省能量并扩展细胞耐力的能力。资料来源：Infineon这导致了RRAM的大规模写操作更快，例如在FOTA更新期间。
　　字节可重新编写
　　一些非易失性记忆根据页面大小执行写作。例如，闪光页面大小通常是256或512字节。这意味着每个写作都会影响整个页面。要更改一个字节，必须将页面读取并存储在临时缓冲区中；更改是临时重复的。
　　然后，闪光灯必须删除页面，然后从缓冲区中写回整个页面。这个过程是耗时的，并穿着闪光灯（通常为100k+写入）。此外，不必要地佩戴了不更改的数据单元。因此，使用NOR Flash的数据记录要求将数据缓存，然后用页面大小的块编写，从而增加了功率事件期间的复杂性和潜在数据丢失。
　　相比之下，RRAM写入尺寸要比NOR Flash较高（几个字节）要高得多（几个字节）。这是更易于管理的，并且可以很好地适应数据记录要求，因为仅在写入时佩戴细胞。因此，RRAM对于在同一存储设备中的代码存储和数据记录都具有稳健性和有效性。
　　能源效率
　　通过优化，诸如BYTE重新写入和消除数据写入期间的擦除操作，RRAM可实现更好的能源效率，与传统的NOR Flash相比，较低的写入能量和低至8倍的读取能量。
　　辐射耐受性和电磁免疫力
　　RRAM技术固有地耐受辐射和电磁干扰（EMI）。对于那些必不可少的环境鲁棒性的应用，RRAM成为了的选择。
　　合并代码存储和数据记录

　　RRAM是一项经过验证的技术，其时间已经到来。这是一项已建立的技术，它是一种内部非易失性记忆，已嵌入芯片中已有十多年了。它具有扩展到较小的过程节点的能力，在低功率下提供更高的耐力和重新写入，并通过直接写入功能地减少写入时间和功耗，RRAM可以在不损害鲁棒性或效率的情况下提供高性能（表1）。

　　表1上面的数据显示了RRAM与其他非易失性存储技术之间的比较。资料来源：Infineon