存儲器是半導體產業的重要分支，約占全球半導體市場的四分之一至三分之一。存儲器已經形成主要由DRAM與Flash構成的超千億美元的市場。盡管存儲器產品品類眾多，但從產品營收貢獻的角度來看，DRAM和Flash（NAND、NOR）的營收占比超95％。
DRAM與Flash雖然在存儲器領域近乎“絕對壟斷”，但是，人工智能、物聯網、5G到來，都加速了數字化浪潮來襲。在這個背景下，數據處理的需求量呈指數級上升，半導體從業者紛紛加大對存儲技術的研發與投資，想實現成本更低、速度更快、效能更好的存儲。
龍頭也有短板
存儲市場中，最常見且被廣泛應用的存儲器為DRAM與NAND。近年來隨著半導體制程持續朝更小的技術節點邁進，DRAM與NAND嚴重面臨尺寸微縮挑戰，DRAM目前已接近微縮極限，而NAND則全力朝3D架構轉型。
此外，隨著數據量的爆發增長，DRAM及NAND在耗電量及數據訪問速度上已無法跟上需求的腳步。他們在需要高速運算的應用場景中也有一些阻礙。
基于這些原因，下一代存儲技術為了補位，出現在大家的視野中。
新生代存儲：PCRAM、MRAM、ReRAM
經過各個廠商數十年的不懈努力，下一代存儲已經出現了幾位極具潛力的種子選手：PCRAM、磁阻式內存MRAM、以及電阻式內存ReRAM。這些新興存儲的技術性能也各有差異。
PCRAM（相變隨機存儲器）
PCRAM是一種利用相變材料作為存儲介質，通過相變材料在電流的焦耳熱作用下，在結晶相態和非晶相態之間快速并可逆的轉換時，會呈現出的不同電阻率這一特性來實現數據存儲的技術。
與NAND相比，PCRAM在寫入更新代碼之前不需要擦除以前的代碼或數據，所以在速度方面，比NAND有優勢，讀寫時間較為均衡。然而，PCRAM雖然讀寫速度比NAND有所提高，但冷卻過程會帶來更高功耗。其次，為了使相變材料兼容CMOS工藝，PCRAM必須采取多層結構，因此存儲密度過低，在容量上無法替代NAND。
PCRAM早已逐漸步入產業化進程。
2006年，英特爾和美光成立IM Flash Technologies，開始合作研發新的存儲器技術。2012年，雙方開始合作3D XPoint存儲項目，3D XPoint技術也是PCRAM的一種。2015年7月，美光和因特爾聯合發表了發表雙方共同研發的存儲器技術：3D XPoint存儲器技術。
MARM（磁性隨機存儲器）
MRAM（磁性隨機存儲器）靠磁場極化而非電荷來存儲數據，存儲單元由自由磁層、隧道柵層、固定磁層組成。自由磁層的磁場極化方向可以改變，固定層的磁場方向不變，當自由層與固定層的磁場方向平行時，存儲單元呈現低電阻；反之呈高電阻，通過檢測存儲單元電阻的高低，即可判斷所存數據是0還是1。MRAM擁有SRAM的高速讀取寫入能力，以及DRAM的高集成度，而且基本上可以無限次地重復寫入。
MRAM最大的缺點是存儲單元之間存在干擾，當對目標位進行編程時，非目標位中的自由層很容易被誤編程，尤其是在高密度情況下，相鄰單元間的磁場的交疊會愈加嚴重。
從開始研究到現在，MRAM已經有20多年歷史了。
上世紀末，前沿半導體公司已經開始對MRAM的研究。1995年摩托羅拉（其芯片部門后獨立成為飛思卡爾半導體，飛思卡爾半導體在2015年被恩智浦收購）演示了第一個MRAM芯片，并生產出了1MB的芯片原型。
20多年來，IBM、TDK、STT、Intel、格芯、ST意法半導體等公司相繼入局，都在MRAM的商用產品上有了自己的產品或技術。今年1月份，三星公司成功開發出新的MRAM陣列。
ReRAM（阻變存儲器）
ReRAM（阻變存儲器，也稱憶阻器）是當下最有前景的新型非易失性存儲技術之一，其器件結構簡單，操作方式簡捷，具有尺寸易于縮小，高速度，低功耗，低成本，易與CMOS工藝兼容等諸多特點。
典型的ReRAM由兩個金屬電極夾一個薄介電層組成，介電層作為離子傳輸和存儲介質。在上下電極間施加電壓，中間的阻變層中會形成一條導電通道。通過改變上下電極間的電壓來控制導電通道的狀態，進而使得存儲器件的電阻值發生變化。不同的電阻值代表不同的存儲狀態，即使去掉電極上的電壓信號，電阻值仍然會繼續保持，因此可以實現非易失性存儲。
ReRAM的單元面積小，讀寫速度是NAND的1000倍，同時功耗可以降低15倍。
ReRAM工藝也更為簡單。以Crossbar為例，Crossbar的ReRAM能夠使用標準的CMOS工藝與設備，對產線無污染，整體制造成本低，可以很容易地讓半導體代工廠具備ReRAM的生產制造能力，這對于量產和商業化推動有很大優勢。
從密度、能效比、成本、工藝制程和良率各方面綜合衡量，ReRAM存儲器在目前已有的新型存儲器中具備明顯優勢。
多點開花的ReRAM應用領域
ReRAM的優越性能也讓其應用也十分廣泛。
AIoT：效能與安全是要義
AIoT主要由微型設備組成，供電能力弱且需要數據實時交互，因此不僅要求存儲器件低功耗，也需要高速度和低延遲。ReRAM在讀寫速度和功耗幾倍到幾百倍的提升，并可實現更高的存儲密度。
AIoT的數據要求具備基本的信息安全和隱私保護能力。一些廠商的ReRAM都帶有PUF密鑰，每顆存儲芯片都擁有唯一信任根和唯一主動標識ID，結合通用密碼算法，實現數據和程序的防復制和防篡改能力。
人工智能：亟需打破存儲墻
人工智能不斷發展，對存儲和計算提出了更高的要求。目前計算機還是依然延續馮·諾依曼結構，存儲單元和計算單元獨立分開，
現有馮·諾伊曼計算系統采用存儲和運算分離的架構，存在“存儲墻”與“功耗墻”瓶頸，嚴重制約系統算力和能效的提升。“能效比低”已經成為人工智能芯片的瓶頸問題。
ReRAM可以直接在芯片上集成處理邏輯，從而實現全新的以內存為中心的SoC架構。ReRAM的優越特性有助于解決這些算法所需的性能和能源挑戰。通過減少存儲和計算之間的性能差距。
數據中心：高速計算提出更高要求
DRAM讀寫速度很快，但是無法下電保存數據，NAND密度高，可以下電保存數據，但是讀寫速度延遲高。高速計算、5G、萬物互聯等應用場景正在推動數據中心、智能終端的高速增長和轉型，對數據中心和智能終端提出了性能的更高要求。
通過利用ReRAM密度高、能耗低、讀寫速度快及可下電數據保存的特點，能幫助用戶大幅提升數據中心性能，降低能耗，達到運營成本的大幅降低。
國內外廠商的ReRAM布局
ReRAM相比MRAM和PRAM，研究要稍晚。2000年，夏普購買了美國休斯敦大學的相關專利后，才引起學術界和業界的研究。由于ReRAM獨特的優勢，主流存儲器廠商也紛紛投入力量，開始對ReRAM的研究。ReRAM也已經由實驗室階段進入到企業的研發階段。
松下在2013年開始出貨ReRAM，成為了世界第一家出貨ReRAM的公司。
2016年11月，富士通半導體開始銷售其與Panasonic共同開發的4兆字節（MB）ReRAM芯片。今年4月，富士通推出12Mbit ReRAM MB85AS12MT，這是富士通ReRAM產品系列中密度最大的產品。
ReRAM技術的領導者Crossbar成立于2010年。Crossbar將其技術作為現成的或定制的IP內核授權給SoC和內存公司。Crossbar也在積極發展其生態系統硬件和軟件合作伙伴。2021年7月，Crossbar它宣布將其ReRAM設備用于PUF應用。
Intrinsic是倫敦大學學院的一家衍生公司，旨在將新型憶阻ReRAM器件商業化。今年2月份，Intrinsic及其合作伙伴imec已將Intrinsic的ReRAM技術擴展到50nm。
今年3月，Weebit宣布，借助CEA－Leti，將其ReRAM技術縮小到22nm。兩家公司正在設計一個完整的IP內存模塊，該模塊集成了一個針對先進的22nmFD－SOI工藝的多兆位ReRAM塊。Weebit也正在迅速加快其開發計劃。
實質上，除去專門研究生產ReRAM的存儲廠商，還有一些存儲廠商采取的是兩邊下注的策略。因為他們要確保一旦DRAM和NAND不能再滿足市場發展需求，必須有一些研究成果可以取而代之。
2016年，西部數據就宣布將在即將推出的專用SSD中使用3D ReRAM，以取代NAND閃存。
國內在ReRAM領域的研究也有了一些成果。
今年2月16日，由昕原半導體主導建設的大陸首條28／22nm ReRAM 12寸中試生產線順利完成了自主研發設備的裝機驗收工作，實現了中試線工藝流程的通線，并成功流片。
實際上，昕原半導體專注于ReRAM領域，是一家集核心技術、工藝制程、芯片設計、IP授權和生產服務于一體的新型IDM公司。該公司的核心產品覆蓋高工藝嵌入式存儲、高密度非易失性存儲、存內計算及存內搜索等多個領域。
除了IDM廠商外，代工廠商也積極發展先進技術以配合ReRAM的發展與生產。
2016年，中芯國際與Crossbar簽訂一份代工協議，基于中芯國際40納米CMOS制造工藝，為Crossbar生產ReRAM。2017年，中芯國際正式出樣40nm工藝的ReRAM芯片。
2021年，臺積電40nmReRAM進入量產，28nm和22nmReRAM準備量產。
ReRAM未來前景光明，近幾年，也是ReRAM發展最關鍵的時期。在新興的存儲技術中，ReRAM技術對于降低存儲器計算的能耗、提高成本效益至關重要，因而極具發展前景。然而，要想把握這些機會，真正成為DRAM和NAND的繼任者，ReRAM還有很長的路要走。
