很久很久以前

让我们回到几个世纪前，回到一个技术还比较粗糙和成熟的时代。我们仍然有硅，但没有半导体晶圆厂。然而，作为一个积极进取、敢做敢做的物种，我们决定要建造一个大规模的非易失性存储器。

“为什么?”你问。为什么要这么做呢?为什么要建造金字塔?为什么要建造狮身人面像?我们需要理由吗?我们该怎么办呢?啊，为了让古埃及的风投们高兴，明白了。好吧:也许是用来记录非常受欢迎的负鼠球锦标赛的比分，或者别的什么。巨大的市场;我们会杀了它*。

好了，现在我们已经把商业计划的事情弄清楚了，我们需要弄清楚如何做这件事。身处沙漠或地中海附近，我们有一种巨大的资源可以依赖:沙子。大量的沙子很重——相比之下，没有沙子就不重。所以我们可以建立一个网格，在每个x/y交点上，我们可以有一堆沙子，也可以没有。

我们如何知道网格点上是否有沙子?用秤称一下。Bed Bath and Beyond还没开业，所以我们得用手头的材料做点东西。一个大的跷跷板怎么样，一端是一块大石头，另一端是一堆沙子的平台?假设我们的沙堆有一吨重:如果石头大约有半吨重，那么跷跷板的位置就能告诉我们那里是否有沙。(坦白地说，我不记得古人使用的是公制还是英制，所以我假设他们使用的是我们在穆尔卡所使用的方法。)

那什么时候读记忆呢?我们可以在每一个音阶上设置奴隶——呃——内存技术人员，当该读的时候，他们会按顺序喊出他们音阶的状态。我可以告诉你他们在喊什么，但我对古埃及语或努米底亚语或其他他们说的东西有点生疏了

我们有一个存储机制和一个读取机制;现在我们需要一种写入内存的方法。假设我们有这些大车，它们被推到一个大沙丘或海滩上，硅技术人员把沙子铲进车里。多少铲?谁知道;简单地走到它满。然后运输技术人员可以把它们推到指定的网格位置。是的，劳动密集型。但这是在自由市场真正自由的美好时光，“最低生活工资”意味着“如果你工作，你就能生活”。

所以这一切都很好，但随着时间的推移，房地产变得越来越昂贵，这些巨大的记分牌记忆的所有者开始考虑他们可以通过驱逐记忆而建立旅游景点和t恤商店来赚多少钱。所以他们至少试图缩小记忆。堆的重量从一吨增加到半吨(岩石缩小到四分之一吨)，然后再减少到四分之一吨，这种情况一直持续到铲子被勺子和越来越精致的铲掘工具所取代。

一个超级有进取心的家伙想出了如何在一堆沙子上使用多块石头，这样，他就可以测量三分之一和三分之二的堆，而不仅仅是测量堆或不堆。这就像将两个堆合并为一个，进一步缩小内存占用。

但规模的限制正变得越来越明显。沙粒的数量开始起作用。一辆满载的“手推车”(现在不过是一片芦苇叶)大约是100粒沙子。没有人直接计算，但根据经验，装填工知道要捏多少沙子才能堆积33粒、66粒或100粒——通常是正负10粒左右。

而且越来越难确定平衡岩石的大小是否合适。这些石头都是经过精心挑选的，所以它们的比例是非常精确的。但多层次的测试就更难了;读者有时必须测量两次，或者让两个人看着它们，以确保他们没有读错，或者一阵风没有改变平衡。

但随着他们不断缩小规模，他们现在可以看到末日即将来临。他们最多只能用三粒沙子来填满一个多层次的细胞。如果你从字面上数沙子的粒数，这很简单:找0、1、2或3粒。但他们没有计算;他们在称重。所以这就更难了——颗粒大小和岩石大小的变化带来了很多不确定性。

即使吃了满满10粒，也还是有问题的。在100粒的水平上，加或减10粒是可以控制的。现在加或减10粒是致命的。这只是用来读取记忆的。你如何确保二氧化硅技术人员装载的颗粒数量完全正确?他们也没有计算;他们用微型铲子挖。如果任何谷物在运输到内存位置时从推车上掉下来，那么就会进一步把事情搞砸。

如果没有一种方法来确定沙粒的确切数量，这种实现内存的方法将接近它的时代尽头。

与此同时，在现实世界中

用电子代替沙粒，我们发现自己正处于现实世界的十字路口。我们已经设计出越来越聪明的方法，把电子塞到某个地方，并把它们留在那里。我们设计了一种机制，可以发射它们穿过原本无法穿透的屏障。谁知道呢，如果一个电子有足够的信心走到墙上，它就能穿过墙。显然J.K.罗琳对挖掘隧道有所了解。

当然，我们也没有计算电子。我们正在努力，但我们需要一个代理机制。我们不称它们的重量，而是通过测量它们的静电效应来猜测它们的数量。我们用经验得出的电压和电流把一个合理控制的电子数量写进我们的电子保持单元。只要电子数高，这个就有效。

现在情况已经不同了。我们现在处理的是极少量的电子。10个电子的世界不是虚构的。试图计算你是否通过我们通常的代理存储了10个、9个或6个电子时固有的不确定性也远非虚构。

这将我们带到了一个感觉相当重要的技术拐点，正如imec最近在旧金山版的技术论坛上指出的那样:“我们正在耗尽电子。”这意味着我们需要找到一种不同的存储状态的方法。

电计数法的明显继承者是抵抗力。你改变导电材料的性质，而不是储存电子，这样它的电阻就会告诉你储存的值。原理很简单，但在现实生活中如何做到呢?

我们已经看到了一种方法:使用自旋转矩传递mram．在这里，磁性材料的排列及其极化决定了电阻。但另一种机制开始看起来很有吸引力:电阻式ram (rram)。其机制与MRAM不同，但相似之处在于可以改变材料堆栈以改变其电阻。

Crossbar最近宣布了第一个商用RRAM产品。他们的基本方法是众所周知的;他们的“增值”秘诀出奇地“简单”。这个想法是将三种材料堆叠在一起:顶部和底部的电极层，然后是中间的材料，称为“开关介质”。写入该设备需要让离子从电极扩散到开关介质中，从而改变电阻。当然，这必须是可逆的——我们不是在谈论灾难性的雪崩崩溃。

采用Crossbar，底部电极为外延硅;顶部电极是银的;开关介质是非晶硅。银离子迁移到非晶态层形成细丝;当擦除时，这些细丝可以被拉回(至少在内存的工作寿命期间)。

这三层可以放在任何东西上，包括CMOS逻辑。它们甚至可以相互放置，允许以一种比3D NAND内存更容易创建的方式堆叠;你必须一次只蚀刻一个内存层(而不是在所有的层都到位后做一个深度蚀刻)。

他们说这样做不需要复杂的物理或化学。他们甚至没有买任何新设备。那么为什么不是每个人都这么做呢?他们说棘手的部分是保持层接口的干净——他们已经为他们想出的方法申请了专利。这是他们主要的技术贡献，在这一点上，他们不谈细节。

那又怎样?

好的，我们知道他们可以做这些。(或者他们说可以;我们暂时相信他们的话。)这些记忆能做什么其他记忆做不到的事?

• 嗯，首先，你可以写它们比你写NAND快。快了20倍。写入和擦除时间是2µs(我认为是25 nm)。
• 他们byte-addressable。
• 他们不需要ECC(尽管他们可以添加它来从单个MLC单元中提取多个级别，这可以通过调整中间状态的写入电流来实现)。
• 虽然大规模NAND设备的续航时间不到1000次，但Crossbar声称已经证明了10000次循环，高密度数据存储可保留10年(嵌入式为1M次)。
• 他们不需要磨损平衡，尽管他们可以得到更高的密度，如果他们使用它。(老化机制是细胞被卡在上面……对我来说，这听起来就像细丝中的离子厌倦了来回移动，拒绝移动，留下一根细丝)。
• 对于嵌入式和代码存储应用程序，读取延迟小于30 ns(数据存储为1µs)。
• 堆叠或实现MLC不会影响性能。
• 没有干扰问题。
• 两个两比特的MLC单元堆叠在一起，相当于一个1f²足迹。
• 芯片尺寸比NAND小56% (25nm)。
• CMOS友好:用于堆叠CMOS的低温后端步骤。
• 它们既不需要外部高压，也不产生内部高压。
• 该技术可扩展到10纳米以下。
• 他们可以用20nm技术制作1tb的器件。
• 最小的温度依赖性。
• 他们声称更低的权力，尽管他们没有具体说明。

他们从台积电(TSMC)购买了一个微控制器，通过添加钨插头来建立与顶层的连接，然后在其上构建内存，从而验证了这一概念。当然，这是为了证明这是可行的，而不是为了开始生产。他们最初的商业模式是将IP卖给嵌入式应用，而不是生产内存。(如果他们要生产，他们说他们可以生产nor大小的设备，但他们希望与合作伙伴合作大批量生产1tb的设备——目前还没有这样的安排。)

但真正有趣的是，越来越复杂的系统内存层次结构会发生什么变化。目前，与CPU共存的片上存储器由SRAM构建的寄存器和缓存(两到三层)组成。此时，您必须退出芯片并与DRAM进行可字节寻址的随机访问。但DRAM是不稳定的，所以我们需要使用ssd来进行较小的永久存储，可能会通过Flash缓存来加快访问速度;如果需要超高密度存储，那么我们就必须使用传统的硬盘驱动器。这是一个7-8层的层次结构。

RRAM的性能优于其他非易失性选项，在某些情况下甚至可以与DRAM竞争。建议是系统内存堆栈可以简化:一旦你离开CPU芯片和它的缓存，你就有DRAM -但更少-然后是RRAM。就这些。层次结构中少了两层。这听起来很棒(除非你正在制作被淘汰的图层……)。

如果不使用ECC或磨损均衡，那么RRAM控制器也比NAND控制器简单得多。

换句话说，很多事情都变得简单了。这应该会让奥卡姆的追随者高兴。

我知道有些人对此持怀疑态度。很多伟大的想法曾经出现过又消失了。Crossbar有很多事情要证明。但是如果成功的话，他们可以在这个新的电阻存储器时代给MRAM带来一场竞争。

*随后的研究质疑了古埃及负鼠的数量，但当地的贵族并不知道这一点，因为他们不知道，他们的私人宠物负鼠都是进口的。所以他们相信了这个故事。他们从来没有回去检查最初的市场数据，所以一切都很好。

**好吧，所以我们的文案编辑问，“为什么没有人能看看这些文件是否在那里呢?”为什么要称重之类的?(这不是她的措辞，要说清楚……)那么……好吧……脏东西必须装在一个封闭的盒子里，每个盒子都可以是空的或满的，但你不能通过观察来判断?所以你得权衡一下。为什么箱子是关着的?如果我有更多的时间，我会想出一个很好的理由，但既然我没有，我就援引父母的特权:“因为我这么说的。”跟我一起工作……

更多信息:

横梁

横梁的声明

阿米莉亚和Crossbar首席执行官的面谈

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