Rezystancyjna pamięć o dostępie swobodnym - Resistive random-access memory
| Pamięć komputera i typy przechowywania danych |
|---|
| Lotny |
| Nielotny |
Rezystancyjna pamięć o dostępie swobodnym ( ReRAM lub RRAM ) to rodzaj nieulotnej (NV) pamięci komputerowej o dostępie swobodnym (RAM), która działa poprzez zmianę rezystancji w dielektrycznym materiale półprzewodnikowym, często określanym jako memrystor .
ReRAM ma pewne podobieństwa do pamięci RAM z mostkiem przewodzącym (CBRAM) i pamięci zmiany fazy (PCM). CBRAM wykorzystuje jedną elektrodę dostarczającą jony, które łatwo rozpuszczają się w materiale elektrolitu, podczas gdy PCM wymaga wytwarzania wystarczającego ogrzewania Joule'a, aby wywołać zmiany fazy z amorficznej do krystalicznej lub krystalicznej do amorficznej. W przeciwieństwie do tego, ReRAM polega na generowaniu defektów w cienkiej warstwie tlenku, znanej jako luki tlenowe (miejsca wiązań tlenkowych, z których tlen został usunięty), które mogą następnie ładować się i dryfować pod wpływem pola elektrycznego. Ruch jonów tlenu i luk w tlenku byłby analogiczny do ruchu elektronów i dziur w półprzewodniku.
Chociaż technologia ReRAM była początkowo postrzegana jako technologia zastępująca pamięć flash , korzyści związane z kosztami i wydajnością ReRAM nie były wystarczające, aby firmy mogły kontynuować wymianę. Najwyraźniej do ReRAM można użyć szerokiej gamy materiałów. Jednak odkrycie, że popularny dielektryk HfO 2 o wysokiej wartości κ może być używany jako niskonapięciowa pamięć ReRAM, zachęciło naukowców do zbadania większej liczby możliwości.
RRAM® jest zastrzeżoną nazwą znaku towarowego Sharp Corporation , japońskiego producenta podzespołów elektronicznych, w niektórych krajach, w tym członków Unii Europejskiej .
Historia
Na początku XXI wieku pamięć ReRAM była rozwijana przez wiele firm, z których niektóre złożyły wnioski patentowe, twierdząc, że są wdrożone w różnych implementacjach tej technologii. ReRAM wszedł do komercjalizacji na początkowo ograniczoną skalę pojemności KB.
W lutym 2012 roku Rambus kupił firmę ReRAM o nazwie Unity Semiconductor za 35 milionów dolarów. Panasonic wprowadził zestaw ewaluacyjny ReRAM w maju 2012 roku, oparty na architekturze komórek pamięci z tlenku tantalu 1T1R (1 tranzystor – 1 rezystor).
W 2013 roku Crossbar wprowadził prototyp ReRAM jako chip o wielkości znaczka pocztowego, który mógł przechowywać 1 TB danych. W sierpniu 2013 r. firma twierdziła, że produkcja układów ReRAM na dużą skalę została zaplanowana na 2015 r. Struktura pamięci (Ag/a-Si/Si) bardzo przypomina CBRAM na bazie srebra.
Również w roku 2013, Hewlett-Packard, wykazały MEMRYSTOR oparte ReRAM opłatek , a przewiduje się, że 100 SSD TB oparte na technologii mogą być dostępne w 2018 roku o pojemności 1,5 PB dostępnych w 2020 roku, w sam raz dla zatrzymania wzrostu zdolności NAND flash .
Ujawniono różne formy ReRAM, oparte na różnych materiałach dielektrycznych, począwszy od perowskitów, przez tlenki metali przejściowych, aż po chalkogenki . Wykazano, że dwutlenek krzemu wykazuje przełączanie rezystancyjne już w maju 1966 r., a ostatnio został on ponownie zbadany.
W 1963 i 1964 roku cienkowarstwowa rezystancyjna macierz pamięci została po raz pierwszy zaproponowana przez członków University of Nebraska-Lincoln . Dalsze prace nad tą nową cienkowarstwową pamięcią rezystancyjną przedstawił JG Simmons w 1967 r. W 1970 r. członkowie Atomic Energy Research Establishment i University of Leeds podjęli próbę teoretycznego wyjaśnienia mechanizmu. W maju 1997 r. zespół badawczy z University of Florida i Honeywell przedstawił metodę wytwarzania „magnetorezystywnej pamięci o dostępie swobodnym” z wykorzystaniem wytrawiania plazmy metodą rezonansu cyklotronu elektronowego.
Leon Chua twierdził, że wszystkie dwuterminalowe urządzenia pamięci nieulotnej, w tym ReRAM, powinny być uważane za memrystory . Stan Williams z HP Labs również twierdził, że ReRAM jest memrystorem . Jednak inni zakwestionowali tę terminologię, a zastosowanie teorii memrystorów do dowolnego fizycznie możliwego do zrealizowania urządzenia jest kwestią otwartą. Kwestią sporną jest, czy elementy przełączające rezystancyjnie oparte na redoksie (ReRAM) są objęte obecną teorią memrystorów.
Tlenek krzemu stanowi interesujący przypadek przełączania rezystancyjnego. Zgłoszono dwa różne tryby samoistnego przełączania - oparte na powierzchni, w którym przewodzące włókna krzemowe są generowane na odsłoniętych krawędziach (które mogą być wewnętrzne - w porach - lub zewnętrzne - na powierzchni struktur mes) oraz przełączanie zbiorcze, w którym W większości tlenku powstają włókna wakansu tlenu. Pierwszy tryb cierpi na utlenianie włókien w powietrzu, co wymaga hermetycznego uszczelnienia, aby umożliwić przełączanie. Ten ostatni nie wymaga uszczelniania. W 2014 roku naukowcy z Rice University ogłosili urządzenie oparte na włóknach krzemowych, które wykorzystywało dielektryk porowatego tlenku krzemu bez zewnętrznej struktury krawędzi – włókna były raczej formowane na wewnętrznych krawędziach w porach. Urządzenia mogą być wytwarzane w temperaturze pokojowej i charakteryzują się napięciem formowania poniżej 2 V, wysokim współczynnikiem włączania/wyłączania, niskim zużyciem energii, 9-bitową pojemnością na ogniwo, wysokimi szybkościami przełączania i dobrą wytrzymałością. Problemy z ich niesprawnością w powietrzu można przezwyciężyć poprzez hermetyczne uszczelnienie urządzeń. Masowe przełączanie w tlenku krzemu, zapoczątkowane przez naukowców z UCL ( University College London ) od 2012 r., zapewnia niskie napięcia elektroformowania (2,5 V), napięcia przełączania około 1 V, czas przełączania w trybie nanosekundowym i ponad 10 000 000 cykli bez awarii urządzenia - wszystko w warunkach otoczenia.
Formowanie
Podstawową ideą jest to, że dielektryk , który normalnie jest izolujący, może przewodzić przez włókno lub ścieżkę przewodzącą utworzoną po przyłożeniu wystarczająco wysokiego napięcia. Ścieżka przewodzenia może wynikać z różnych mechanizmów, w tym wakatu lub migracji defektów metalu. Po uformowaniu żarnika można je zresetować (złamać, co skutkuje wysoką rezystancją) lub ustawić (ponownie uformować, co skutkuje niższą rezystancją) przez inne napięcie. Prawdopodobnie zaangażowanych jest wiele ścieżek prądu, a nie pojedyncze włókno. Obecność tych ścieżek prądu w dielektryku można wykazać in situ za pomocą przewodzącej mikroskopii sił atomowych .
Ścieżka o niskiej rezystancji może być zlokalizowana (włókienkowa) lub jednorodna. Oba efekty mogą wystąpić na całej odległości między elektrodami lub tylko w pobliżu jednej z elektrod. Filamentalne i jednorodne efekty przełączania można rozróżnić, mierząc zależność powierzchniową stanu o niskiej rezystancji.
W pewnych warunkach operacja formowania może zostać pominięta. Oczekuje się, że w tych warunkach prąd początkowy jest już dość wysoki w porównaniu z izolującymi warstwami tlenkowymi.
Ogniwa CBRAM generalnie nie wymagają formowania, jeśli jony Cu są już obecne w elektrolicie, ponieważ zostały już wprowadzone w zaprojektowanym procesie fotodyfuzji lub wyżarzania; takie komórki mogą również łatwo powrócić do swojego stanu początkowego. W przypadku braku takiego Cu początkowo znajdującego się w elektrolicie, napięcie nadal byłoby przykładane bezpośrednio do elektrolitu, a formowanie byłoby dużą możliwością.
Style działania
W przypadku pamięci o dostępie swobodnym preferowana jest architektura 1T1R (jeden tranzystor, jeden rezystor), ponieważ tranzystor izoluje prąd do komórek wybranych spośród komórek, które nie są. Z drugiej strony architektura cross-point jest bardziej kompaktowa i może umożliwiać pionowe układanie warstw pamięci, co idealnie nadaje się do urządzeń pamięci masowej. Jednak w przypadku braku tranzystorów izolację musi zapewnić urządzenie „selektor”, takie jak dioda , połączone szeregowo z elementem pamięci lub przez sam element pamięci. Takie możliwości izolacji są gorsze niż stosowanie tranzystorów, jeśli współczynnik włączania/wyłączania dla selektora jest niewystarczający, co ogranicza możliwość obsługi bardzo dużych macierzy w tej architekturze. Przełącznik progowy oparty na cienkiej folii może działać jako selektor dla bipolarnej i unipolarnej pamięci ReRAM. Selektor oparty na przełączniku progowym został zademonstrowany dla macierzy 64 Mb. Architektura krzyżowa wymaga dwóch kompatybilnych z BEOL selektorów zacisków, takich jak dioda przebijana dla bipolarnej pamięci ReRAM lub dioda PIN dla jednobiegunowej pamięci ReRAM.
Polaryzacja może być binarna lub jednoargumentowa. Efekty bipolarne powodują odwrócenie polaryzacji podczas przełączania z niskiej na wysoką rezystancję (operacja resetowania) w porównaniu z przełączaniem z wysokiej na niską (operacja nastawiania). Przełączanie jednobiegunowe nie wpływa na polaryzację, ale wykorzystuje różne napięcia.
Systemy materiałowe do rezystancyjnych komórek pamięci
Wiele systemów materiałów nieorganicznych i organicznych wykazuje termiczne lub jonowe efekty przełączania rezystancyjnego. Można je pogrupować w następujące kategorie:
- chalkogenki przemiany fazowej, takie jak Ge
2Sb
2Te
5 lub AgInSbTe - dwuskładnikowe tlenki metali przejściowych, takie jak NiO lub TiO
2 - perowskity, takie jak Sr(Zr) TiO
3 lub PCMO - elektrolity stałe, takie jak GeS, GeSe, SiO
xlub Cu
2S - organiczne kompleksy z przeniesieniem ładunku, takie jak CuTCNQ
- organiczne systemy dawca-akceptor, takie jak Al AIDCN
- dwuwymiarowe (warstwowe) materiały izolacyjne, takie jak sześciokątny azotek boru
Demonstracje
Artykuły na konferencji IEDM w 2007 r. po raz pierwszy sugerowały, że ReRAM wykazuje niższe prądy programowania niż PRAM lub MRAM bez poświęcania wydajności programowania, retencji lub wytrzymałości. Niektóre powszechnie cytowane systemy ReRAM są opisane poniżej.
HFO 2 -na ReRAM
Podczas IEDM 2008 ITRI zademonstrowała najwyższą jak dotąd wydajną technologię ReRAM przy użyciu HfO2 z warstwą buforową Ti, wykazując czasy przełączania mniejsze niż 10 ns i prądy mniejsze niż 30 μA. Na IEDM 2010, ITRI ponownie pobiło rekord prędkości, wykazując czas przełączania <0,3 ns, jednocześnie pokazując ulepszenia procesu i działania, aby umożliwić wydajność do 100% i wytrzymałość do 10 miliardów cykli. IMEC zaprezentował aktualizacje swojego programu ReRAM na sympozjach 2012 na temat technologii i obwodów VLSI, w tym rozwiązanie z prądem roboczym 500 nA.
ITRI skupiło się na systemie Ti/HfO 2 od czasu jego pierwszej publikacji w 2008 roku. Patent ITRI 8362454 został od tego czasu sprzedany firmie TSMC; liczba wcześniejszych licencjobiorców jest nieznana. Z drugiej strony IMEC skupił się głównie na Hf/HfO 2 . Winbond wykonał niedawną pracę nad rozwojem i komercjalizacją ReRAM opartego na HfO 2 .
Panasonic
Panasonic ujawnił swoją pamięć ReRAM opartą na TaO x na IEDM 2008. Kluczowym wymaganiem była potrzeba połączenia metalu o wysokiej funkcji pracy, takiego jak Pt lub Ir, z warstwą TaO x . Zmiana zawartości O powoduje zmianę oporu oraz zmianę bariery Schottky'ego. Ostatnio, TA 2 O 5 / tao x warstwę wdrożone, co wymaga jeszcze wysoki wskaźnik funkcji metalu do współpracy z Ta 2 O 5 . Ten system jest kojarzony z demonstracją wysokiej wytrzymałości (biliony cykli), ale produkty są określone na 100 000 cykli. Zaobserwowano średnice włókien dochodzące do ~100 nm. Panasonic wypuścił część 4 MB z Fujitsu i rozwija pamięć wbudowaną 40 nm za pomocą UMC.
HP memrystor
30 kwietnia 2008 roku firma HP ogłosiła, że odkryła memrystor, pierwotnie wyobrażany jako brakujący czwarty element obwodu podstawowego przez Chua w 1971 roku. 8 lipca ogłosili, że rozpoczną prototypowanie pamięci ReRAM przy użyciu swoich memrystorów. HP pierwszy wykazał MEMRYSTOR pomocą TiO x , a następnie przeniesione do tao x , być może z powodu zwiększonej stabilności. Urządzenie oparte na TaO x ma pewne podobieństwo materiałowe do ReRAM Panasonica, ale charakterystyka działania jest inna. Podobnie zbadano układ Hf/HfOx.
Adesto Technologie
Adesto Technologies ReRAM opiera się włókien wytwarzanych z metalu, elektrody, zamiast wolnych tlenu. Pierwotnym układem materiałów był Ag/GeS 2 , ale ostatecznie migrował do ZrTe/Al 2 O 3 . Włókno tellurowe uzyskało lepszą stabilność w porównaniu do srebra. Adesto ukierunkowało się na pamięć o bardzo niskim poborze mocy dla aplikacji Internetu Rzeczy (IoT). Adesto wypuściło na rynek produkty wytwarzane w odlewni Altis i zawarło umowę na 45 nm z TowerJazz / Panasonic .
Weebit Nano
Weebit Nano współpracuje z CEA-Leti , jednym z największych instytutów badawczych zajmujących się nanotechnologią w Europie, aby dalej rozwijać technologię ReRAM. Począwszy od listopada 2017 r. firma zademonstrowała możliwości produkcyjne w 40-nanometrowych ogniwach SiOx ReRAM, po czym w 2018 r. odbyła się demonstracja działających macierzy, a w 2020 r. dyskretnych komponentów. W lipcu 2021 r. firma wprowadziła swoje pierwsze wbudowane moduły ReRAM. We wrześniu 2021 r. Weebit wraz z Leti wyprodukował, przetestował i scharakteryzował macierz ReRAM 1 Mb, wykorzystując proces 28 nm FDSOI na waflach 300 mm.
Poprzeczka
Crossbar wykorzystuje włókno Ag w amorficznym Si wraz z systemem przełączania progowego, aby uzyskać diodę + ReRAM. Ich układ obejmuje zastosowanie tranzystora w architekturze 1T1R lub 1TNR. Crossbar rozpoczął produkcję próbek w SMIC w procesie 40 nm w 2017 roku. Średnica włókna Ag została zwizualizowana w skali kilkudziesięciu nanometrów.
Programowalne ogniwo do metalizacji
Infineon Technologies nazywa to przewodzącą pamięcią RAM (CBRAM), NEC ma wariant o nazwie „Nanobridge”, a Sony nazywa tę wersję „pamięcią elektrolityczną”. Nowe badania sugerują, że CBRAM można drukować w 3D .
Rezystancyjne urządzenie pamięci z kropkami kwantowymi
Nieulotna pamięć rezystancyjna oparta na kropkach kwantowych o szybkości przełączania 10 ns i współczynniku ON/OFF 10 000. Urządzenie wykazywało doskonałe charakterystyki wytrzymałościowe na 100 000 cykli przełączania. Testy retencji wykazały dobrą stabilność, a urządzenia są powtarzalne. Zaproponowano mechanizm działania pamięci oparty na pułapkowaniu ładunku w kropkach kwantowych z AlOx działającym jako bariera. Mechanizm ten wspomagany jest wyraźną zmiennością wartości pojemności w stanach ON i OFF.
Tablice testowe ReRam
- Panasonic AM13L-STK2: MN101LR05D 8-bitowe MCU z wbudowanym ReRAM dla oceny, USB 2.0, złącza
Przyszłe zastosowania
W porównaniu do PRAM, ReRAM działa w szybszej skali czasowej (czas przełączania może być mniejszy niż 10 ns), podczas gdy w porównaniu do MRAM ma prostszą, mniejszą strukturę komórkową (mniej niż stos MIM 8F²). Pionowa integracja 1D1R (jedna dioda, jedno rezystancyjne urządzenie przełączające) może być wykorzystana do struktury pamięci poprzecznej w celu zmniejszenia rozmiaru komórki jednostkowej do 4F² (F jest wymiarem funkcji). W porównaniu do pamięci flash i pamięci toru wyścigowego, niższe napięcie jest wystarczające, dzięki czemu może być używany w aplikacjach o niskim poborze mocy.
ITRI wykazało, że pamięć ReRAM jest skalowalna poniżej 30 nm. Ruch atomów tlenu jest kluczowym zjawiskiem dla ReRAM opartej na tlenkach; jedno badanie wykazało, że ruch tlenu może zachodzić w obszarach o wielkości zaledwie 2 nm. Uważa się, że jeśli odpowiedzialne jest włókno, nie będzie ono wykazywało bezpośredniego skalowania wraz z rozmiarem komórki. Zamiast tego limit podatności prądu (ustawiony na przykład przez zewnętrzny rezystor) może określać obciążalność prądową żarnika.
Istotną przeszkodą w uświadomieniu sobie potencjału pamięci ReRAM jest problem z podstępną ścieżką, który występuje w większych macierzach pasywnych. W 2010 roku wprowadzono komplementarne przełączanie rezystancyjne (CRS) jako możliwe rozwiązanie problemu zakłóceń prądowych. W podejściu CRS, stany przechowywania informacji są parami stanów o wysokiej i niskiej rezystancji (HRS/LRS i LRS/HRS), dzięki czemu całkowita rezystancja jest zawsze wysoka, umożliwiając większe pasywne układy poprzeczne.
Wadą początkowego rozwiązania CRS jest wymóg wytrzymałości przełączania spowodowany konwencjonalnym odczytem niszczącym opartym na pomiarach prądu. Nowe podejście do nieniszczącego odczytu opartego na pomiarze pojemności potencjalnie obniża wymagania dotyczące zarówno wytrzymałości materiałów, jak i zużycia energii. Struktura dwuwarstwowa służy do wytwarzania nieliniowości w LRS, aby uniknąć problemu ze ścieżką podkradania się. Zgłoszono jednowarstwowe urządzenie wykazujące silne przewodnictwo nieliniowe w LRS. Kolejna dwuwarstwowa struktura została wprowadzona dla bipolarnej pamięci ReRAM, aby poprawić HRS i stabilność.
Innym rozwiązaniem aktualnego problemu jest wykonywanie operacji odczytu i resetowania równolegle w całym rzędzie komórek, przy użyciu zestawu na wybranych komórkach. W tym przypadku, dla tablicy 3D-ReRAM 1TNR, z kolumną N komórek ReRAM umieszczoną powyżej wybranego tranzystora, tylko wewnętrzna nieliniowość HRS musi być wystarczająco duża, ponieważ liczba pionowych poziomów N jest ograniczona (np. , N = 8–32), co okazało się możliwe dla niskoprądowego systemu ReRAM.
Modelowanie pamięci podręcznych 2D i 3D zaprojektowanych z wykorzystaniem ReRAM i innych nieulotnych pamięci o dostępie swobodnym, takich jak MRAM i PCM, można wykonać za pomocą narzędzia DESTINY.
Proponowana rola w zastosowaniach sztucznej inteligencji
Rosnące wymagania obliczeniowe niezbędne do wielu ulepszeń sztucznej inteligencji doprowadziły wielu do spekulacji, że implementacje ReRAM mogą być niezwykle przydatnym sprzętem do uruchamiania aplikacji sztucznej inteligencji i uczenia maszynowego .