下一代存储技术RRAM专利技术发展综述

曾伟涛

摘 要 随着晶体管的尺寸不断缩小，当前存储器发展的瓶颈已凸现，在后摩尔时代，对下一代存储器的研究日益重要。文章研究了下一代存储技术中的重要代表阻变存储器（RRAM）的专利申请、布局分析，并结合美国Crossbar和我国主要申请人的技术功效分析，为我国相关产业发展提供参考意见。

关键词 阻变存储器；RRAM；专利；下一代存储器

中图分类号 G3 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）217-0155-02

存储器是信息产业的重要支柱，但我國每年芯片进口额超过2 000亿美元，其中存储芯片大约占600亿美元，这是我国信息安全的一个隐患。中兴事件之后，更是引发了芯片行业的举国大讨论。2015年全球前五大存储芯片公司，包括三星、镁光、SK海力士、东芝和闪迪，总营收已占整个市场的95%，这一比例远超2008年全球前五强的市场总份额（75%），全球存储市场已进入寡头垄断时代，而我国在存储市场的竞争力还很薄弱。

随着云存储、大数据、工业4.0、物联网及移动互联网时代的到来，如今90%的数据产生于过去两年，未来的数据存储需求还会进一步加大。可见发展存储器产业，是保障我国信息安全的需要，是顺应未来信息产业发展形势的需要，也是我国抢占国际创新阵地成为创新型国家的历史需要。

RRAM是具有高读写速度（10-30ns）、高存储密度、高耐受性（109）、持久性、可以3D集成的低功耗非易失存储器，并且重要的是可使用常规的CMOS工艺制造，闪存代工厂几乎不需要改变设备即可生产。除此之外，RRAM最有希望取代DRAM，这将突破现有计算机CPU—内存—非易失存储器的架构，极大提升计算机性能。由于具有突出的存储性能，因此RRAM是学术界和企业界的重点研究方向。

本次检索分析基于德温特专利数据库，针对主要涉及RRAM/memristor存储的专利技术，其主要的关键词是RRAM、memristor及其常见拓展，并排除非G-H部和其它明显无关分类、MRAM等主题以及memristor在非存储方面应用的干扰，共计3 252项（检索时间：2018年6月底）。

1 申请分析

参考图1，该领域的专利申请量在持2000年后持续攀升，从2011年以后基本稳定在300～400件之间，其中2016—2017的申请量出现下降的原因是专利申请后自申请日起18个月后公开（PCT国际申请需要更长时间），因此最后的数据量并不代表该年的真实申请量。美国对于该领域的申请量占据绝对优势，中日韩总量相差不大，但日本在该领域的申请量呈减小趋势，表明日本或已专攻其它方向而有意放弃该领域，韩国的较为平稳，中国申请人的申请量则平稳上升。该领域最早的申请可以追溯自EPIR效应的发现者：休斯顿大学的Liu S Q等。

中国市场的主要申请人为北京大学、中科院微电子所、三星、台积电、宏旺电子、镁光、索尼、复旦大学、惠普、松下、SK海力士、东芝等。我国在该领域的重要申请人为中科院微电子所（刘明、龙世兵等）、北京大学（康晋锋、刘力锋等）、复旦大学（林殷茵）和华中科技大学（缪向水）。但是我国的主要申请人约75%的是高校及科研单位，企业申请不足25%，也反应了我国在该领域的研发主要停留在实验室里，所申请专利可能并不能适应市场的需要。北京、上海是RRAM领域我国在该领域申请人来源地最大的两个城市，浙江、湖北、山东次之，其它省份申请量均较低。

2 功效分析

Crossbar是来自美国加州的创业企业，在RRAM领域颇有建树。材料、工艺、结构、控制方法是其研发的主要改进手段，存储密度、低制造成本、耐久性、抑制串扰等是主要的解决问题，并且Crossbar已在提高产品良品率上下功夫，可见其在着手考虑量产问题，这表明其已达到接近实际投产的研发能力。

针对我国主要技术团队（北京大学、中科院微电子所、复旦大学、华中科技大学）的技术功效，其主要的改进手段在于材料、工艺、结构，这也是存储器研发的重中之重。研发关注的问题较多，大多均有涉及，并且还关注到了柔性存储这一方向，但不同于企业，很少有人关注良品率的提高这一问题。

在2016年，Crossbar技术公司正式宣布进军中国阻变式存储器市场，并在中国的上海设立办事处，进而促使企业发展。现阶段，Crossbar RRAM已经实现在较小的芯片上进行太节字（terabyte）存储，并利用其自身的性能为当前的大规模互联网运行提供能耗，满足当前的需求，被广泛的应用。例如，在不断的发展过程中，其经历了可穿戴的SOC嵌入式存储、云数据中心超高密SSD等，满足不断提升的需求。例如，Crossbar公司的首席执行官George Minassian博士曾经说过：“中国电子行业市场发展最为迅速，也是大多数产品的生产源地，我们企业凭借自身企业雄厚的实力，利用自身具备的资源，”在中国进行有效的企业建设，并积极进行创新，通过现金的技术水平，促使中国的企业、消费电子、物联网、工业等市场，掀起大规模的新一轮电子创新浪潮，迎合时代发展。

与此同时，Crossbar企业积极与中芯国际进行合作，通过互利互惠，将当前其的嵌入式技术用于中芯国际40mm甚至是更高的工艺，进而满足当前的需求，并促使新技术创新开发。

通过合理的集成更大的片上非易失性阻变式存储器（RAMM）到机顶盒、智能卡、监视器以及IP相机等相关技术的有效应用，可以合理的促使当前的技术进行创新，并通过不断的研究与发展，促使当前的高安全性与低功耗的设计方案被制定。

George Minassian博士曾表示，在当前的时代背景下，物联网技术的发展与可穿戴市场需求的变化，促使当前的市场需求逐渐发生变化，要求微控制器自身需要以安全、节能以及低成本为基础，在不断的发展过程中进行技术创新，以满足当前的需求。

而Crossbar RRAM技术的应用，可以有效促使当前的内存模块得到创新，提供片上编成与数据存储嵌入式模块，满足当前的需求，与此同时，该技术还可以充分发挥出自身的优势，甚至单独将其作为当前的EEPORM内存，通过制定合理的方案，满足当前市场的需求。

3 结论

本文通过对RRAM专利申请基本情况进行了整理和分析，结果表明该领域受到了国外存储巨头的青睐，美国韩国该领域的研究还在稳步进行，日本在该领域的投入逐年递减，而我国的申请人还主要集中在高校和研究所。我国还须高校紧密联系企业，引进国外顶尖技术人才，解决器件级变化性等关键问题，才能实现在下一代存储器领域弯道超车。

参考文献

[1]王源，等.新一代存储技术：阻变存储器[J].北京大学学报（自然科学版），2011，47（3）：565-572.

[2]Memristor - The Missing Circuit Element [J]. Chua Leon O. IEEE Transactions on Circuits Theory. 1971，18 （5）.

[3]The missing memristor found [J]. Dmitri B. Strukov，etal. Nature. 2008， 453（7191）.