字節(jié)跳動(dòng)加碼芯片布局，直接押注下一代存儲(chǔ)技術(shù)

當(dāng)下，新型存儲(chǔ)技術(shù)越來(lái)越受到業(yè)界的矚目，這一次ReRAM成為熒幕主角。市場(chǎng)最新動(dòng)態(tài)：知名互聯(lián)網(wǎng)科技公司字節(jié)跳動(dòng)悄然布局新型存儲(chǔ)技術(shù)ReRAM。


字節(jié)跳動(dòng)入股昕原半導(dǎo)體

據(jù)天眼查信息，近日，昕原半導(dǎo)體（上海）有限公司發(fā)生工商變更，股東新增PICOHEART(SG)PTE.LTD.，后者持股約9.51%，成為第三大股東。同時(shí)該公司注冊(cè)資本增加4.64%。

據(jù)了解，PICOHEART(SG)PTE.LTD.是字節(jié)跳動(dòng)不久前于新加坡成立的新公司。此次投資，字節(jié)跳動(dòng)間接持股9.51%，成為昕原半導(dǎo)體的第三大股東。另?yè)?jù)媒體近日?qǐng)?bào)道，字節(jié)跳動(dòng)發(fā)言人證實(shí)了這一投資，并表示這是為了幫助推進(jìn)該公司虛擬現(xiàn)實(shí)頭顯設(shè)備的開(kāi)發(fā)。

工商信息顯示，昕原半導(dǎo)體（上海）有限公司成立于2019年10月，法定代表人為XIANG ZHANG，注冊(cè)資本約3346.96萬(wàn)人民幣，經(jīng)營(yíng)范圍含集成電路芯片設(shè)計(jì)及服務(wù)、電子元器件制造、計(jì)算機(jī)軟硬件及輔助設(shè)備零售等。

據(jù)官網(wǎng)介紹，被投資方昕原半導(dǎo)體成立于2019年，專注于ReRAM新型存儲(chǔ)技術(shù)及相關(guān)芯片產(chǎn)品的研發(fā)，涵蓋高性能工控/車規(guī)SoC/ASIC芯片、存算一體（Computing in Memory, CIM）IP及芯片、系統(tǒng)級(jí)存儲(chǔ)（System-on-Memory, SoM）芯片三大應(yīng)用領(lǐng)域。

昕原半導(dǎo)體掌握一體化閉環(huán)技術(shù)能力，覆蓋器件材料、工藝制程、芯片設(shè)計(jì)、IP設(shè)計(jì)和中試量產(chǎn)等諸多環(huán)節(jié)。由昕原自主建設(shè)的中國(guó)大陸首條先進(jìn)制程 ReRAM 12寸中試后道生產(chǎn)線已順利通線。另外，該公司“昕·山文” 系列ReRAM安全存儲(chǔ)產(chǎn)品，率先實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)制程 ReRAM在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的商用量產(chǎn)。


“潛力股”ReRAM：可提供高密度非易失性存儲(chǔ)和高效存內(nèi)計(jì)算

ReRAM多用于類腦計(jì)算，甚至成為了類腦計(jì)算的代名詞。密歇根大學(xué)教授Wei D.Lu稱，因?yàn)镽eRAM可以自己執(zhí)行學(xué)習(xí)和推理功能，所以ReRAM陣列應(yīng)用在存內(nèi)計(jì)算架構(gòu)時(shí)很有潛力。ReRAM還支持雙向數(shù)據(jù)流，而更大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)使用具有平鋪MPU架構(gòu)的模塊化系統(tǒng)來(lái)提高吞吐量。

美國(guó)密歇根大學(xué)至少十年前就已經(jīng)開(kāi)始開(kāi)發(fā)ReRAM原型了。該大學(xué)電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系教授Wei D.Lu說(shuō)道，ReRAM具有提供高密度非易失性存儲(chǔ)以及高效存內(nèi)計(jì)算的潛力，而且支持ReRAM的加速器能夠突破馮·諾伊曼計(jì)算架構(gòu)的瓶頸。教授Wei D.Lu在IEDM發(fā)言時(shí)概述了一些器件，講了通過(guò)并行計(jì)算來(lái)處理大的AI模型，還談到了邊緣計(jì)算應(yīng)用程序的功率、延遲和成本問(wèn)題。ReRAM還能支持雙向數(shù)據(jù)流，有更好促進(jìn)存內(nèi)計(jì)算的潛力。

ReRAM是以非導(dǎo)性材料的電阻在外加電場(chǎng)作用下，在高阻態(tài)和低阻態(tài)之間實(shí)現(xiàn)可逆轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)的非易失性存儲(chǔ)器，該技術(shù)具備一般小于100ns的高速度、耐久性強(qiáng)、多位存儲(chǔ)能力的特點(diǎn)。

ReRAM被分為許多不同的技術(shù)類別，包括氧空缺存儲(chǔ)器 (OxRAM，Oxygen Vacancy Memories)、導(dǎo)電橋存儲(chǔ)器 (CBRAM，Conductive Bridge Memories)、金屬離子存儲(chǔ)器 (MeRAM，Metal Ion Memories)、憶阻器 (Memristors)、以及納米碳管 (CaRAM，Carbon Nano-tubes)，代表公司有美國(guó)Crossbar、松下和昕原半導(dǎo)體。

ReRAM由于存儲(chǔ)介質(zhì)中的導(dǎo)電通道具有隨機(jī)性，在二進(jìn)制存儲(chǔ)中難以保證大規(guī)模陣列的均一性。所以，業(yè)界普遍認(rèn)為，ReRAM能夠充分滿足神經(jīng)形態(tài)計(jì)算和邊緣計(jì)算等應(yīng)用對(duì)能耗、性能和存儲(chǔ)密度的要求，預(yù)期將在AIoT、智能汽車、數(shù)據(jù)中心、AI計(jì)算等領(lǐng)域獲得廣泛的運(yùn)用，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)存算一體的最佳選擇之一。

在新興的存儲(chǔ)技術(shù)中，ReRAM技術(shù)更適合在存儲(chǔ)單元中采用多級(jí)存儲(chǔ)，有利于降低存儲(chǔ)器計(jì)算的能耗、提高成本效益，近年來(lái)臺(tái)積電，Crossbar、英特爾、富士通、三星、UMC、Adesto等國(guó)際廠商已對(duì)該技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)布局。


多點(diǎn)開(kāi)花的ReRAM應(yīng)用領(lǐng)域

ReRAM的優(yōu)越性能也讓其應(yīng)用也十分廣泛。


AIoT：效能與安全是要義

AIoT主要由微型設(shè)備組成，供電能力弱且需要數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互，因此不僅要求存儲(chǔ)器件低功耗，也需要高速度和低延遲。ReRAM在讀寫(xiě)速度和功耗幾倍到幾百倍的提升，并可實(shí)現(xiàn)更高的存儲(chǔ)密度。

AIoT的數(shù)據(jù)要求具備基本的信息安全和隱私保護(hù)能力。一些廠商的ReRAM都帶有PUF密鑰，每顆存儲(chǔ)芯片都擁有唯一信任根和唯一主動(dòng)標(biāo)識(shí)ID，結(jié)合通用密碼算法，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和程序的防復(fù)制和防篡改能力。


人工智能：亟需打破存儲(chǔ)墻

人工智能不斷發(fā)展，對(duì)存儲(chǔ)和計(jì)算提出了更高的要求。目前計(jì)算機(jī)還是依然延續(xù)馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，存儲(chǔ)單元和計(jì)算單元獨(dú)立分開(kāi)，

現(xiàn)有馮·諾伊曼計(jì)算系統(tǒng)采用存儲(chǔ)和運(yùn)算分離的架構(gòu)，存在“存儲(chǔ)墻”與“功耗墻”瓶頸，嚴(yán)重制約系統(tǒng)算力和能效的提升?！澳苄П鹊汀币呀?jīng)成為人工智能芯片的瓶頸問(wèn)題。

ReRAM可以直接在芯片上集成處理邏輯，從而實(shí)現(xiàn)全新的以內(nèi)存為中心的SoC架構(gòu)。ReRAM的優(yōu)越特性有助于解決這些算法所需的性能和能源挑戰(zhàn)。通過(guò)減少存儲(chǔ)和計(jì)算之間的性能差距。


數(shù)據(jù)中心：高速計(jì)算提出更高要求

DRAM讀寫(xiě)速度很快，但是無(wú)法下電保存數(shù)據(jù)，NAND密度高，可以下電保存數(shù)據(jù)，但是讀寫(xiě)速度延遲高。高速計(jì)算、5G、萬(wàn)物互聯(lián)等應(yīng)用場(chǎng)景正在推動(dòng)數(shù)據(jù)中心、智能終端的高速增長(zhǎng)和轉(zhuǎn)型，對(duì)數(shù)據(jù)中心和智能終端提出了性能的更高要求。

通過(guò)利用ReRAM密度高、能耗低、讀寫(xiě)速度快及可下電數(shù)據(jù)保存的特點(diǎn)，能幫助用戶大幅提升數(shù)據(jù)中心性能，降低能耗，達(dá)到運(yùn)營(yíng)成本的大幅降低。

國(guó)內(nèi)外廠商的ReRAM布局

ReRAM相比MRAM和PRAM，研究要稍晚。2000年，夏普購(gòu)買了美國(guó)休斯敦大學(xué)的相關(guān)專利后，才引起學(xué)術(shù)界和業(yè)界的研究。由于ReRAM獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，主流存儲(chǔ)器廠商也紛紛投入力量，開(kāi)始對(duì)ReRAM的研究。ReRAM也已經(jīng)由實(shí)驗(yàn)室階段進(jìn)入到企業(yè)的研發(fā)階段。

松下在2013年開(kāi)始出貨ReRAM，成為了世界第一家出貨ReRAM的公司。

2016年11月，富士通半導(dǎo)體開(kāi)始銷售其與Panasonic共同開(kāi)發(fā)的4兆字節(jié)（MB）ReRAM芯片。今年4月，富士通推出12Mbit ReRAM MB85AS12MT，這是富士通ReRAM產(chǎn)品系列中密度最大的產(chǎn)品。

ReRAM技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者Crossbar成立于2010年。Crossbar將其技術(shù)作為現(xiàn)成的或定制的IP內(nèi)核授權(quán)給SoC和內(nèi)存公司。Crossbar也在積極發(fā)展其生態(tài)系統(tǒng)硬件和軟件合作伙伴。2021年7月，Crossbar它宣布將其ReRAM設(shè)備用于PUF應(yīng)用。

Intrinsic是倫敦大學(xué)學(xué)院的一家衍生公司，旨在將新型憶阻ReRAM器件商業(yè)化。今年2月份，Intrinsic及其合作伙伴imec已將Intrinsic的ReRAM技術(shù)擴(kuò)展到50nm。

今年3月，Weebit宣布，借助CEA-Leti，將其ReRAM技術(shù)縮小到22nm。兩家公司正在設(shè)計(jì)一個(gè)完整的IP內(nèi)存模塊，該模塊集成了一個(gè)針對(duì)先進(jìn)的22nmFD-SOI工藝的多兆位ReRAM塊。Weebit也正在迅速加快其開(kāi)發(fā)計(jì)劃。

實(shí)質(zhì)上，除去專門研究生產(chǎn)ReRAM的存儲(chǔ)廠商，還有一些存儲(chǔ)廠商采取的是兩邊下注的策略。因?yàn)樗麄円_保一旦DRAM和NAND不能再滿足市場(chǎng)發(fā)展需求，必須有一些研究成果可以取而代之。

2016年，西部數(shù)據(jù)就宣布將在即將推出的專用SSD中使用3D ReRAM，以取代NAND閃存。

國(guó)內(nèi)在ReRAM領(lǐng)域的研究也有了一些成果。

今年2月16日，由昕原半導(dǎo)體主導(dǎo)建設(shè)的大陸首條28/22nm ReRAM 12寸中試生產(chǎn)線順利完成了自主研發(fā)設(shè)備的裝機(jī)驗(yàn)收工作，實(shí)現(xiàn)了中試線工藝流程的通線，并成功流片。

實(shí)際上，昕原半導(dǎo)體專注于ReRAM領(lǐng)域，是一家集核心技術(shù)、工藝制程、芯片設(shè)計(jì)、IP授權(quán)和生產(chǎn)服務(wù)于一體的新型IDM公司。該公司的核心產(chǎn)品覆蓋高工藝嵌入式存儲(chǔ)、高密度非易失性存儲(chǔ)、存內(nèi)計(jì)算及存內(nèi)搜索等多個(gè)領(lǐng)域。

除了IDM廠商外，代工廠商也積極發(fā)展先進(jìn)技術(shù)以配合ReRAM的發(fā)展與生產(chǎn)。

2016年，中芯國(guó)際與Crossbar簽訂一份代工協(xié)議，基于中芯國(guó)際40納米CMOS制造工藝，為Crossbar生產(chǎn)ReRAM。2017年，中芯國(guó)際正式出樣40nm工藝的ReRAM芯片。

2021年，臺(tái)積電40nmReRAM進(jìn)入量產(chǎn)，28nm和22nmReRAM準(zhǔn)備量產(chǎn)。

ReRAM未來(lái)前景光明，近幾年，也是ReRAM發(fā)展最關(guān)鍵的時(shí)期。在新興的存儲(chǔ)技術(shù)中，ReRAM技術(shù)對(duì)于降低存儲(chǔ)器計(jì)算的能耗、提高成本效益至關(guān)重要，因而極具發(fā)展前景。然而，要想把握這些機(jī)會(huì)，真正成為DRAM和NAND的繼任者，ReRAM還有很長(zhǎng)的路要走。