非易失性存储器是各类高性能嵌入式应用的重要组成部分，尤其是在消费电子、工业和医疗等领域中，越来越多的应用需要提高可重写性，以支持更频繁的程序代码更新以及更大量的数据记录。
这些应用对更高的存储器密度提出了需求，以便能够容纳更大的程序代码空间或存储更多数据。同时，开发人员也希望在降低系统成本的同时，提升电源效率。
目前，开发人员可以选择多种非易失性存储器技术，包括EEPROM、NOR闪存、NAND闪存、MRAM和FRAM。每种存储器在特定应用场景下都有其独特优势。然而，随着工艺技术不断缩小、对更低功耗实现更高密度的需求日益增长，以及可重写性变得越来越重要，这些因素共同促使电阻式RAM(RRAM)在此类应用中受到越来越多的关注。
本文将探讨RRAM技术，并说明它如何为开发人员提供一种全新方式，以满足高性能嵌入式系统不断变化的存储器需求。
高性能嵌入式系统中的存储器
新兴的网联系统面临诸多严峻的设计挑战。例如，在医疗设备中，如助听器、连续血糖监测仪(CGM)和贴片设备，尽管对数据与事件记录的要求持续上升，但为了实现远程监控并符合行业标准，仍需保持小巧的外形尺寸。
此外，工业4.0系统中的智能设备需要大幅增加程序代码存储容量，以支持远程传感、边缘处理和固件无线(FOTA)更新等远程维护功能。同样地，边缘人工智能(AI)在可穿戴设备和物联网(IoT)设备中的引入，也进一步提升了对小尺寸、高性能、节能型非易失性存储器的需求。
这些系统在程序代码大小和数据记录需求方面的增长，已超出了微控制器(MCU)内置非易失性存储器的能力范围，因此必须借助外部存储器来满足不断提升的密度和性能要求。然而，根据性能、密度、耐用性和数据写入大小的不同，程序代码和数据往往有着不同的需求。
因此，可能需要使用多种非易失性存储器，例如用于数据记录的NOR闪存和用于程序代码存储的高密度EEPROM。这会导致系统中使用多种类型的外部存储器，从而增加了系统的成本、复杂性和能耗。
理想情况下，系统应能使用单一类型的存储器，同时支持外部程序代码和数据存储，且不牺牲任何一方的性能或功能。RRAM正是一种新兴的非易失性技术，能够作为独立的外部存储器填补这一技术空白。
什么是RRAM？相比传统非易失性方案有何优势？
RRAM是一种非易失性随机存取存储器，自2000年代初期开始实现商业化。其工作原理是通过改变夹在两个电极之间的开关材料的电阻状态，如图1左侧所示。
图1：典型的RRAM存储单元由一个晶体管和一个电阻器组成(图片左侧)，其存储状态可通过在金属电极上施加外部偏压来改变(图片右侧)。(来源：英飞凌)
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对电阻器(1T1R)构成，其中RRAM的电阻可以通过施加在金属电极上的外部偏压进行调节，如图1右侧所示。
RRAM初期被定位为闪存的潜在替代方案。然而，当时其在成本和性能方面的优势尚不足以超越其他非易失性存储器技术，特别是在用作外部存储器时。近年来，一些因素的变化使得RRAM成为极具吸引力的非易失性替代方案。
具体而言，随着嵌入式系统的集成度不断提高，并采用更小的工艺节点实现，程序代码和数据存储的需求也随之显著增长。而当用作外部存储器时，RRAM具备以下优势，使其能够超越传统的非易失性方案：
1.扩展能力
部分非易失性存储器技术存在扩展限制，整体存储器密度也因占用空间、功耗和成本等因素受到制约。RRAM的一大优势在于其能够使用兼容的CMOS工艺制造，因此可扩展至45nm以下的工艺节点，甚至低至10nm。
例如，由于NOR闪存的技术似乎受限于35至40nm的工艺节点，因此产业界难以以经济高效的方式对其进行进一步扩展。而扩展能力会直接影响存储器的性能、密度、占用空间和能源效率。
2.直接写入
NOR闪存的数据存储过程通常需要执行两个操作：首先擦除目标地址的内容，然后再进行写入。而RRAM的“直接写入”特性无需预先擦除存储器，只需进行写入操作即可完成数据存储。图2展示了NOR闪存和RRAM在写入过程中所需的操作步骤。
图2：NOR闪存在每次写入前都必须先执行擦除操作，这会增加写入时间、能耗以及存储单元的磨损。RRAM的直接写入能力则加快了写入速度，节省了能源，并提高了存储单元的耐用性。(来源：英飞凌)
这种机制大大提升了RRAM在大规模写入操作中的效率，例如在FOTA更新期间。
3.可重写字节
某些非易失性存储器的写入是以页面为单位进行的。例如，NOR闪存的页面大小通常是256或512字节，这意味着每次写入都会影响整个页面。若要修改单个字节，就必须先读取整个页面，将其保存到临时缓冲区中，再对该副本进行更改。
随后，闪存必须擦除原页面，并将整个页面从缓冲区重新写入。此过程不仅耗时，还会导致闪存磨损(通常可达十万次以上)，并对未更改的数据单元造成不必要的损耗。因此，在使用NOR闪存进行数据记录时，通常需要先缓存数据，再以页面大小的块进行写入，这会增加系统复杂性，并可能在断电等异常情况下造成数据丢失。
相比之下，RRAM的写入粒度要小得多(仅几个字节)，同时具备比NOR闪存更高的耐用性。由于只有在写入时才会发生磨损，因此更容易管理，并能满足数据记录的严格需求。因此，凭借强大且高效的特性，RRAM可在同一存储器件中同时处理程序代码存储和数据记录。
4.能源效率
通过字节级可重写性和省去写入前的擦除操作等优化手段，RRAM实现了更高的能效。与传统NOR闪存相比，其写入能耗最多可降低5倍，读取能耗最多可降低8倍。
5.辐射耐受性和电磁抗扰性
RRAM技术本身具备较强的抗辐射能力和对电磁干扰(EMI)的抵抗力，这使其特别适合应用于对环境稳定性要求极高的场景。
整合程序代码存储与数据记录
RRAM是一项已被广泛认可的技术，其发展已趋成熟，并已在芯片内部作为嵌入式非易失性存储器使用超过十年。RRAM能够扩展至更小的工艺节点，以低功耗实现更高的耐用性和可重写性，并通过直接写入功能显著缩短写入时间和降低能耗，因此可在不影响鲁棒性或效率的前提下实现高性能(见表1)。
表1：RRAM与其他非易失性存储器技术的比较。(来源：英飞凌)
RRAM是一种理想的存储器，能够将程序代码存储与数据记录整合于单一外部存储器中，从而简化设计并降低系统复杂性。这也使RRAM成为许多消费类、工业和医疗应用中传统非易失性存储器的理想替代方案。
作者：英飞凌科技存储器解决方案资深产品营销经理Bobby John
