下一代存儲技術(shù)RRAM專利技術(shù)發(fā)展綜述

曾偉濤

摘 要 隨著晶體管的尺寸不斷縮小，當(dāng)前存儲器發(fā)展的瓶頸已凸現(xiàn)，在后摩爾時代，對下一代存儲器的研究日益重要。文章研究了下一代存儲技術(shù)中的重要代表阻變存儲器（RRAM）的專利申請、布局分析，并結(jié)合美國Crossbar和我國主要申請人的技術(shù)功效分析，為我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考意見。

關(guān)鍵詞 阻變存儲器；RRAM；專利；下一代存儲器

中圖分類號 G3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）217-0155-02

存儲器是信息產(chǎn)業(yè)的重要支柱，但我國每年芯片進(jìn)口額超過2 000億美元，其中存儲芯片大約占600億美元，這是我國信息安全的一個隱患。中興事件之后，更是引發(fā)了芯片行業(yè)的舉國大討論。2015年全球前五大存儲芯片公司，包括三星、鎂光、SK海力士、東芝和閃迪，總營收已占整個市場的95%，這一比例遠(yuǎn)超2008年全球前五強(qiáng)的市場總份額（75%），全球存儲市場已進(jìn)入寡頭壟斷時代，而我國在存儲市場的競爭力還很薄弱。

隨著云存儲、大數(shù)據(jù)、工業(yè)4.0、物聯(lián)網(wǎng)及移動互聯(lián)網(wǎng)時代的到來，如今90%的數(shù)據(jù)產(chǎn)生于過去兩年，未來的數(shù)據(jù)存儲需求還會進(jìn)一步加大?？梢姲l(fā)展存儲器產(chǎn)業(yè)，是保障我國信息安全的需要，是順應(yīng)未來信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展形勢的需要，也是我國搶占國際創(chuàng)新陣地成為創(chuàng)新型國家的歷史需要。

RRAM是具有高讀寫速度（10-30ns）、高存儲密度、高耐受性（109）、持久性、可以3D集成的低功耗非易失存儲器，并且重要的是可使用常規(guī)的CMOS工藝制造，閃存代工廠幾乎不需要改變設(shè)備即可生產(chǎn)。除此之外，RRAM最有希望取代DRAM，這將突破現(xiàn)有計(jì)算機(jī)CPU—內(nèi)存—非易失存儲器的架構(gòu)，極大提升計(jì)算機(jī)性能。由于具有突出的存儲性能，因此RRAM是學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的重點(diǎn)研究方向。

本次檢索分析基于德溫特專利數(shù)據(jù)庫，針對主要涉及RRAM/memristor存儲的專利技術(shù)，其主要的關(guān)鍵詞是RRAM、memristor及其常見拓展，并排除非G-H部和其它明顯無關(guān)分類、MRAM等主題以及memristor在非存儲方面應(yīng)用的干擾，共計(jì)3 252項(xiàng)（檢索時間：2018年6月底）。

1 申請分析

參考圖1，該領(lǐng)域的專利申請量在持2000年后持續(xù)攀升，從2011年以后基本穩(wěn)定在300～400件之間，其中2016—2017的申請量出現(xiàn)下降的原因是專利申請后自申請日起18個月后公開（PCT國際申請需要更長時間），因此最后的數(shù)據(jù)量并不代表該年的真實(shí)申請量。美國對于該領(lǐng)域的申請量占據(jù)絕對優(yōu)勢，中日韓總量相差不大，但日本在該領(lǐng)域的申請量呈減小趨勢，表明日本或已專攻其它方向而有意放棄該領(lǐng)域，韓國的較為平穩(wěn)，中國申請人的申請量則平穩(wěn)上升。該領(lǐng)域最早的申請可以追溯自EPIR效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)者：休斯頓大學(xué)的Liu S Q等。

中國市場的主要申請人為北京大學(xué)、中科院微電子所、三星、臺積電、宏旺電子、鎂光、索尼、復(fù)旦大學(xué)、惠普、松下、SK海力士、東芝等。我國在該領(lǐng)域的重要申請人為中科院微電子所（劉明、龍世兵等）、北京大學(xué)（康晉鋒、劉力鋒等）、復(fù)旦大學(xué)（林殷茵）和華中科技大學(xué)（繆向水）。但是我國的主要申請人約75%的是高校及科研單位，企業(yè)申請不足25%，也反應(yīng)了我國在該領(lǐng)域的研發(fā)主要停留在實(shí)驗(yàn)室里，所申請專利可能并不能適應(yīng)市場的需要。北京、上海是RRAM領(lǐng)域我國在該領(lǐng)域申請人來源地最大的兩個城市，浙江、湖北、山東次之，其它省份申請量均較低。

2 功效分析

Crossbar是來自美國加州的創(chuàng)業(yè)企業(yè)，在RRAM領(lǐng)域頗有建樹。材料、工藝、結(jié)構(gòu)、控制方法是其研發(fā)的主要改進(jìn)手段，存儲密度、低制造成本、耐久性、抑制串?dāng)_等是主要的解決問題，并且Crossbar已在提高產(chǎn)品良品率上下功夫，可見其在著手考慮量產(chǎn)問題，這表明其已達(dá)到接近實(shí)際投產(chǎn)的研發(fā)能力。

針對我國主要技術(shù)團(tuán)隊(duì)（北京大學(xué)、中科院微電子所、復(fù)旦大學(xué)、華中科技大學(xué)）的技術(shù)功效，其主要的改進(jìn)手段在于材料、工藝、結(jié)構(gòu)，這也是存儲器研發(fā)的重中之重。研發(fā)關(guān)注的問題較多，大多均有涉及，并且還關(guān)注到了柔性存儲這一方向，但不同于企業(yè)，很少有人關(guān)注良品率的提高這一問題。

在2016年，Crossbar技術(shù)公司正式宣布進(jìn)軍中國阻變式存儲器市場，并在中國的上海設(shè)立辦事處，進(jìn)而促使企業(yè)發(fā)展?，F(xiàn)階段，Crossbar RRAM已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在較小的芯片上進(jìn)行太節(jié)字（terabyte）存儲，并利用其自身的性能為當(dāng)前的大規(guī)?；ヂ?lián)網(wǎng)運(yùn)行提供能耗，滿足當(dāng)前的需求，被廣泛的應(yīng)用。例如，在不斷的發(fā)展過程中，其經(jīng)歷了可穿戴的SOC嵌入式存儲、云數(shù)據(jù)中心超高密SSD等，滿足不斷提升的需求。例如，Crossbar公司的首席執(zhí)行官George Minassian博士曾經(jīng)說過：“中國電子行業(yè)市場發(fā)展最為迅速，也是大多數(shù)產(chǎn)品的生產(chǎn)源地，我們企業(yè)憑借自身企業(yè)雄厚的實(shí)力，利用自身具備的資源，”在中國進(jìn)行有效的企業(yè)建設(shè)，并積極進(jìn)行創(chuàng)新，通過現(xiàn)金的技術(shù)水平，促使中國的企業(yè)、消費(fèi)電子、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)等市場，掀起大規(guī)模的新一輪電子創(chuàng)新浪潮，迎合時代發(fā)展。

與此同時，Crossbar企業(yè)積極與中芯國際進(jìn)行合作，通過互利互惠，將當(dāng)前其的嵌入式技術(shù)用于中芯國際40mm甚至是更高的工藝，進(jìn)而滿足當(dāng)前的需求，并促使新技術(shù)創(chuàng)新開發(fā)。

通過合理的集成更大的片上非易失性阻變式存儲器（RAMM）到機(jī)頂盒、智能卡、監(jiān)視器以及IP相機(jī)等相關(guān)技術(shù)的有效應(yīng)用，可以合理的促使當(dāng)前的技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，并通過不斷的研究與發(fā)展，促使當(dāng)前的高安全性與低功耗的設(shè)計(jì)方案被制定。

George Minassian博士曾表示，在當(dāng)前的時代背景下，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與可穿戴市場需求的變化，促使當(dāng)前的市場需求逐漸發(fā)生變化，要求微控制器自身需要以安全、節(jié)能以及低成本為基礎(chǔ)，在不斷的發(fā)展過程中進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，以滿足當(dāng)前的需求。

而Crossbar RRAM技術(shù)的應(yīng)用，可以有效促使當(dāng)前的內(nèi)存模塊得到創(chuàng)新，提供片上編成與數(shù)據(jù)存儲嵌入式模塊，滿足當(dāng)前的需求，與此同時，該技術(shù)還可以充分發(fā)揮出自身的優(yōu)勢，甚至單獨(dú)將其作為當(dāng)前的EEPORM內(nèi)存，通過制定合理的方案，滿足當(dāng)前市場的需求。

3 結(jié)論

本文通過對RRAM專利申請基本情況進(jìn)行了整理和分析，結(jié)果表明該領(lǐng)域受到了國外存儲巨頭的青睞，美國韓國該領(lǐng)域的研究還在穩(wěn)步進(jìn)行，日本在該領(lǐng)域的投入逐年遞減，而我國的申請人還主要集中在高校和研究所。我國還須高校緊密聯(lián)系企業(yè)，引進(jìn)國外頂尖技術(shù)人才，解決器件級變化性等關(guān)鍵問題，才能實(shí)現(xiàn)在下一代存儲器領(lǐng)域彎道超車。

參考文獻(xiàn)

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