Reram память что это
Обновлено: 04.07.2024
В то время, когда первые чипы 3D NAND только ищут свой путь на рынок и многие производители NAND все еще улучшают свои разработки, в процессе развития находятся несколько перспективных технологий для создания памяти следующего поколения, которые планируют вытеснить флеш-память NAND в ближайшие 10 лет.
Одна из наиболее обещающих технологий — RRAM (Resistive Random Access Memory) — аналогично NAND, является энергонезависимой, то есть хранит данные без постоянного обеспечения питанием. В этом её принципиальное отличие от DRAM, которой требуется постоянный источник энергии. Несколько компаний занимаются разработками в области RRAM, в том числе гиганты полупроводниковой промышленности вроде Samsung и SanDisk, однако в настоящее время именно американский стартап Crossbar имеет наиболее продвинутый дизайн.
Компания Crossbar со штаб-квартирой в Санта Клара (штат Калифорния) была основана в 2010 году и получила более $50 млн финансирования. Корни компании растут их Мичиганского Университета, ведь главный научный сотрудник и соучредитель проф. Вей Лу (Wei Lu) сейчас является доцентом этого университета. На данный момент команда Crossbar состоит из 40-45 человек, большинство из которых обладают обширными знаниями в областях исследования полупроводников и разработки.
Самые главные преимущества RRAM над NAND — это производительность и долговечность. Обычно задержка NAND при чтении составляет порядка сотен микросекунд, в то время как Crossbar достигли в своей RRAM-разработке показателей от 50 наносекунд. Долговечность ячеек может достигать миллионов циклов перезаписи/стирания, хотя в ранних прототипах Crossbar ориентируется на более консервативные
100 тысяч циклов.
На прошлой неделе на IEDM 2014 Crossbar объявили, что переходят к стадии коммерциализации RRAM. Другими словами, они уже продемонстрировали рабочий прототип в кремнии, а также доказали, что дизайн может быть перенесен на коммерческие фабрики для массового производства, поэтому компания теперь работает с производителями над созданием конечного продукта.
Поначалу Crossbar ориентируется на рынок встраиваемых систем и лицензирует свою технологию разработчикам ASIC, FPGA и SoC. Появление первых образцов ожидается в начале 2015, а массовое производство до конца года или в начале 2016. Кроме лицензирования Crossbar также заняты разработкой отдельных чипов высокой емкости и плотности, которые должны выйти на рынок примерно через год после встраиваемых RRAM решений (ориентировочно в 2017).
Привлекательность RRAM заключается в том, что этот вид памяти может производиться посредством обычного процесса CMOS лишь с небольшими модификациями. NAND и особенно 3D NAND требуют специализированных дорогостоящих инструментов, именно поэтому лишь немногие компании могут заниматься производством 3D NAND. RRAM, в свою очередь, может производиться практически на любой полупроводниковой фабрике после недорогого переоборудования, что в результате приведет к снижению цен и большей рыночной конкуренции.
Разумеется, прежде чем технология RRAM будет готова полноценно конкурировать с NAND, нужно преодолеть несколько препятствий, но очень приятно слышать, что в разработке наблюдается заметный прогресс и что технологией заинтересовались производственные компании.
Более быстрые, долговечные и доступные SSD и другие устройства хранения являются выигрышными для всех. Следует признать, что 3D NAND является лишь временным решением до момента прихода достойной замены, которой с большой вероятностью может оказаться RRAM.
Еще в 2013 году производитель Crossbar объявил о выпуске первого ReRAM микросхемы, также известные как RRAM или резистивные Оперативная память, которым они обещали производительность до 100 раз выше чем традиционная оперативная память того времени. В этой статье мы расскажем вам, что такое ReRAM, как он работает по отношению к традиционной памяти, которую мы все сейчас используем, и что с ней произошло, так что она стала застойной.
Как вы хорошо знаете, то, что современные технологии развиваются и повышают их эффективность и производительность, не означает, что не исследуются альтернативы, которые могут полностью изменить оборудование в том виде, в котором мы его знаем. Одной из этих альтернатив является резистивная память, которая сочетает в себе преимущества памяти NAND и DRAM в одном продукте, предлагая заметные улучшения производительности, но которая по какой-то причине не вышла на рынок.
Что такое ReRAM, RRAM или резистивная память?
Память ReRAM - это тип энергонезависимой памяти (и это одно из отличий от обычной оперативной памяти, которая является энергозависимой, а это означает, что когда она перестает получать питание, содержащиеся в ней данные теряются), которую она объединяет, так как Мы уже говорили о преимуществах памяти DRAM и NAND в одном продукте. Он состоит из трех слоев: верхнего (металлический электрод), нижнего (неметаллический электрод) и центрального, который действует, как если бы это был переключатель, определяющий сохраняемый бит (единицы и нули, когда 1 подключен, а 0 не подключен).
RRAM работает путем изменения сопротивления с использованием твердотельного диэлектрического материала, также известного как мемристанс, аналогично памяти CBRAM (Conductive Bridge RAM) и PCM (Phase Change Memory).
ReRAM работает иначе, чем NAND-память или RAM. В отличие от памяти NAND, эта технология не использует транзисторы для хранения заряда, а вместо этого использует многоуровневую структуру для хранения данных. Ячейка RRAM имеет три слоя с диэлектриком в середине, который определяет, хранит ли ячейка ноль или единицу.
Верхний слой имеет металлический электрод, в то время как нижний слой имеет неметаллический электрод, поэтому верхний слой способен отдавать металлические ионы нижнему слою, создавая проводящую нить между обоими электродами, когда это позволяет диэлектрик, и вот как это изменяет состояние между одним значением хранилища данных и другим.
Этот тип памяти значительно упрощает сложность контроллера, поэтому он также намного дешевле в производстве, используя очень распространенные материалы, не состоящий из транзисторов (что, в свою очередь, упрощает его конструкцию) и имеет меньшее потребление (до 20 раз). меньше, чем NAND), с большей долговечностью (в 10 раз больше, чем NAND), а также с возможностью штабелирования для значительного увеличения плотности.
Кроме того, одним из основных конструктивных преимуществ этой технологии является то, что требуемый уровень напряжения ниже, чем у других технологий, что снижает потребление и делает ее очень привлекательной для систем с низким энергопотреблением или энергоснабжения. Считывание памяти является резистивным, как следует из названия, что также упрощает схему чтения ячеек памяти.
Почему эта память не реализована на рынке?
Как мы видели, память ReRAM имеет только преимущества и не имеет недостатков, поскольку она имеет лучшую производительность, меньшее потребление и более дешевую в производстве. Тем не менее, неизбежно спросить себя, что происходит, чтобы это еще не было имплантировано на рынок, и чтобы ответить на этот вопрос, мы должны оглянуться назад, чтобы узнать историю его развития.
В 2012 году Rambus приобрел компанию RRAM под названием Unity Semiconductor; Panasonic выпустила оценочный комплект в том же году, чтобы производители могли протестировать его функции, но только в 2013 году компания Crossbar представила первый прототип в форме штампа, способный хранить 1 ТБ информации (и помните, что это было в 2013 году, когда 1 ТБ хранилищ было возмутительно), что стало приобретать все большее значение и монополизировать интерес производителей. Компания объявила, что уже запланировала серийное производство этой памяти на 2015 год.
Проблема в том, что производители расходятся во мнениях относительно наилучшего сочетания материалов для изготовления такого типа памяти. Первоначальный оценочный комплект Panasonic использовал оксид тантала 1T1R (1 транзистор - 1 резистор) в качестве архитектуры ячейки памяти, в то время как прототип Crossbar использовал структуру памяти Ag / a-Si-Si, которая выглядела как CBRAM, но на основе серебра. С тех пор мы видели довольно много прототипов ReRAM, основанных на различных электрических материалах, от перовскитов (PCMO), оксидов переходных металлов (NiO или TiO2) до халькогенидов с фазовым переходом (Ge2Db2Te5).
На данный момент терминология и применимость мемристора к любому физическому устройству продолжают обсуждаться. До сих пор ведутся споры о том, охватываются ли резистивные переключающие элементы RRAM современной теорией мемристоров, и к этому следует добавить, что немало компаний все еще разрабатывают свои разработки, так что, короче говоря, ни одна компания еще не представила окончательная модель, которая может быть произведена серийно для использования в реальных устройствах.
Хотя эта технология ожидается как возможная замена флеш-памяти (не RAM), затраты / выгода и производственные характеристики ReRAM не были доказаны компаниями, чтобы рассмотреть возможность внесения изменений или запуска массового производства. Как мы уже говорили, существует длинный список материалов, которые могут быть использованы для производства этого типа памяти, и, поскольку каждый раз появляются открытия новых технологий или материалов для этого, на данный момент они не согласованы, и для этого еще не изготовлен.
Резистивная память с произвольным доступом ( ReRAM или RRAM ) является одним из видов энергонезависимого (NV) с произвольным доступом (RAM) , памятью компьютера , который работает путем изменения сопротивления через диэлектрический твердотельный материал, часто упоминается как мемристор .
ReRAM имеет некоторое сходство с RAM с проводящим мостом (CBRAM) и памятью с фазовым переходом (PCM). CBRAM включает в себя один электрод, обеспечивающий ионы, которые легко растворяются в материале электролита, в то время как PCM включает генерирование достаточного джоулева нагрева для осуществления фазовых переходов из аморфной в кристаллическую или из кристаллической в аморфную. Напротив, ReRAM включает в себя создание дефектов в тонком оксидном слое, известных как кислородные вакансии (места оксидных связей, где кислород был удален), которые впоследствии могут заряжаться и дрейфовать под действием электрического поля. Движение ионов кислорода и вакансий в оксиде было бы аналогично движению электронов и дырок в полупроводнике.
Хотя ReRAM изначально рассматривался как технология замены флэш-памяти , преимущества ReRAM по стоимости и производительности были недостаточны для компаний, чтобы приступить к замене. Судя по всему, для ReRAM можно использовать широкий спектр материалов. Однако открытие того, что популярный диэлектрик затвора HfO 2 с высоким κ может быть использован в качестве низковольтного ReRAM, побудило исследователей исследовать больше возможностей.
СОДЕРЖАНИЕ
История
В начале 2000-х годов ReRAM разрабатывались рядом компаний, некоторые из которых подали заявки на патенты, заявляя о различных реализациях этой технологии. ReRAM поступила в продажу в первоначально ограниченном масштабе емкости КБ.
В феврале 2012 года Rambus купил компанию ReRAM под названием Unity Semiconductor за 35 миллионов долларов. В мае 2012 года Panasonic выпустила оценочный комплект ReRAM, основанный на архитектуре ячеек памяти из оксида тантала 1T1R (1 транзистор - 1 резистор).
В 2013 году компания Crossbar представила прототип ReRAM в виде чипа размером с почтовую марку, способного хранить 1 ТБ данных. В августе 2013 года компания заявила, что крупномасштабное производство их чипов ReRAM запланировано на 2015 год. Структура памяти (Ag / a-Si / Si) очень напоминает CBRAM на основе серебра.
Также в 2013 году Hewlett-Packard продемонстрировала пластину ReRAM на основе мемристоров и предсказала, что твердотельные накопители на 100 ТБ на основе этой технологии могут быть доступны в 2018 году с емкостью 1,5 ПБ, доступной в 2020 году, как раз вовремя для остановки роста емкости флэш-памяти NAND. .
Были раскрыты различные формы ReRAM, основанные на различных диэлектрических материалах, от перовскитов до оксидов переходных металлов и халькогенидов . Диоксид кремния показал резистивное переключение еще в мае 1966 г. и недавно был вновь рассмотрен.
В 1963 и 1964 годах тонкопленочная матрица резистивной памяти была впервые предложена сотрудниками Университета Небраски-Линкольна . О дальнейшей работе над этой новой тонкопленочной резистивной памятью сообщил Дж. Г. Симмонс в 1967 году. В 1970 году сотрудники Исследовательского центра по атомной энергии и Университета Лидса попытались теоретически объяснить механизм. В мае 1997 года группа исследователей из Университета Флориды и компании Honeywell сообщила о методе изготовления «магниторезистивной памяти с произвольным доступом» с использованием плазменного травления с помощью электронного циклотронного резонанса.
Леон Чуа утверждал, что все двухконтактные устройства энергонезависимой памяти, включая ReRAM, следует рассматривать как мемристоры . Стэн Уильямс из HP Labs также утверждал, что ReRAM был мемристором . Однако другие оспаривали эту терминологию, и применимость теории мемристора к любому физически реализуемому устройству остается под вопросом. Являются ли резистивные переключающие элементы на основе окислительно-восстановительного потенциала (ReRAM) современной теорией мемристоров, остается спорным.
Оксид кремния представляет собой интересный случай переключения сопротивления. Сообщалось о двух различных режимах внутреннего переключения - на поверхности, при котором токопроводящие кремниевые нити генерируются на открытых краях (которые могут быть внутренними - внутри пор - или внешними - на поверхности мезаструктур), и объемным переключением, при котором кислородные вакансионные нити образуются в объеме оксида. Первый режим страдает от окисления волокон на воздухе, что требует герметичного уплотнения для переключения. Последний не требует герметизации. В 2014 году исследователи из Университета Райса анонсировали устройство на основе кремниевой нити, в котором использовался пористый диэлектрик из оксида кремния без внешней краевой структуры - скорее, нити образовывались на внутренних краях внутри пор. Устройства могут изготавливаться при комнатной температуре и иметь формирующее напряжение ниже 2 В, высокое соотношение включения-выключения, низкое энергопотребление, девятиразрядную емкость на ячейку, высокие скорости переключения и хорошую выносливость. Проблемы с их неработоспособностью на воздухе можно решить путем герметизации устройств. Массовое переключение в оксиде кремния, впервые разработанное исследователями из UCL ( Университетский колледж Лондона ) с 2012 года, обеспечивает низкие напряжения гальванопластики (2,5 В), коммутируемые напряжения около 1 В, время переключения в наносекундном режиме и более 10 000 000 циклов без отказа устройства - все в условиях окружающей среды.
Формирование
Основная идея состоит в том, что диэлектрик , который обычно является изолирующим, может проходить через нить накала или проводящий путь, образованный после приложения достаточно высокого напряжения. Путь проводимости может возникать в результате различных механизмов, включая миграцию вакансий или металлических дефектов. Как только нить накала сформирована, ее можно сбросить (сломать, что приведет к высокому сопротивлению) или установить (переформировать, что приведет к более низкому сопротивлению) другим напряжением. Возможно, задействовано несколько путей тока, а не одна нить накала. Наличие этих путей тока в диэлектрике может быть продемонстрировано на месте с помощью проводящей атомно-силовой микроскопии .
Путь с низким сопротивлением может быть локализованным (нитевидным) или однородным. Оба эффекта могут возникать либо на всем расстоянии между электродами, либо только в непосредственной близости от одного из электродов. Эффекты нитевидного и однородного переключения можно различить, измерив зависимость от площади состояния с низким сопротивлением.
При определенных условиях операцию формовки можно пропустить. Ожидается, что в этих условиях начальный ток уже достаточно высок по сравнению с изолирующими оксидными слоями.
Ячейки CBRAM, как правило, не требуют формирования, если ионы Cu уже присутствуют в электролите, будучи уже введенными с помощью разработанного процесса фотодиффузии или отжига; такие клетки также могут легко вернуться в исходное состояние. В отсутствие такой Cu изначально в электролите напряжение все равно будет прикладываться непосредственно к электролиту, и образование будет большой вероятностью.
Стили работы
Для запоминающих устройств с произвольным доступом предпочтительна архитектура 1T1R (один транзистор, один резистор), потому что транзистор изолирует ток к ячейкам, которые выбраны из ячеек, которые не являются ячейками. С другой стороны, архитектура точки пересечения более компактна и может обеспечивать вертикальное наложение слоев памяти, что идеально подходит для устройств массовой памяти. Однако при отсутствии каких-либо транзисторов изоляция должна быть обеспечена устройством «селектора», например диодом , последовательно с элементом памяти или самим элементом памяти. Такие возможности изоляции уступают использованию транзисторов, если соотношение включения / выключения для селектора недостаточно, что ограничивает возможность работы с очень большими массивами в этой архитектуре. Пороговый переключатель на основе тонкой пленки может работать как селектор для биполярного и униполярного ReRAM. Селектор на основе переключателя порогов был продемонстрирован для массива 64 Мб. Архитектура точки пересечения требует наличия двух терминальных селекторов, совместимых с BEOL, таких как пробивной диод для биполярного ReRAM или PIN-диод для униполярного ReRAM.
Полярность может быть двоичной или унарной. Биполярные эффекты вызывают изменение полярности при переключении с низкого сопротивления на высокое (операция сброса) по сравнению с переключением высокого на низкое (операция установки). При униполярном переключении полярность не изменяется, но используются другие напряжения.
Системы материалов для резистивных ячеек памяти
Множественные системы из неорганических и органических материалов демонстрируют эффекты термического или ионного резистивного переключения. Их можно сгруппировать в следующие категории:
- халькогениды с фазовым переходом, такие как Ge
2 Sb
2 Te
5 или AgInSbTe - бинарные оксиды переходных металлов, такие как NiO или TiO
2 - перовскиты, такие как Sr (Zr) TiO
3 или PCMO - твердотельные электролиты, такие как GeS, GeSe, SiO
Икс или Cu
2 S - органические комплексы с переносом заряда, такие как CuTCNQ
- органические донорно-акцепторные системы, такие как Al AIDCN
- двумерные (слоистые) изоляционные материалы, такие как гексагональный нитрид бора
Демонстрации
В докладах на конференции IEDM в 2007 году впервые было высказано предположение, что ReRAM демонстрирует более низкие токи программирования, чем PRAM или MRAM, без ущерба для производительности программирования, удержания или выносливости. Некоторые часто цитируемые системы ReRAM описаны ниже.
ReRAM на основе HfO 2
На IEDM 2008 ITRI продемонстрировала наивысшую на сегодняшний день технологию ReRAM с использованием HfO2 с буферным слоем Ti, показав время переключения менее 10 нс и токи менее 30 мкА. На IEDM 2010 ITRI снова побила рекорд скорости, показав время переключения <0,3 нс, а также продемонстрировав улучшения в процессе и эксплуатации, позволяющие достичь выхода продукции до 100% и срока службы до 10 миллиардов циклов. IMEC представила обновления своей программы ReRAM на симпозиуме по технологиям и схемам СБИС в 2012 году, включая решение с рабочим током 500 нА.
ITRI сосредоточился на системе Ti / HfO 2 с момента ее первой публикации в 2008 году. Патент ITRI 8362454 с тех пор был продан TSMC; количество предыдущих лицензиатов неизвестно. С другой стороны, IMEC уделяла основное внимание Hf / HfO 2 . В последнее время Winbond проделал работу по продвижению и коммерциализации ReRAM на основе HfO 2 .
Panasonic
Panasonic представила свой ReRAM на основе TaO x на IEDM 2008. Ключевым требованием была потребность в металле с высокой работой выхода, таком как Pt или Ir, для взаимодействия со слоем TaO x . Изменение содержания O приводит к изменению сопротивления, а также к изменению барьера Шоттки. Совсем недавно был реализован слой Ta 2 O 5 / TaO x , который по-прежнему требует металла с высокой работой выхода для взаимодействия с Ta 2 O 5 . Эта система была связана с демонстрацией высокой выносливости (триллион циклов), но продукты указаны на 100 тыс. Циклов. Наблюдались диаметры филаментов до
100 нм. Panasonic выпустила часть 4 Мбайт с Fujitsu и разрабатывает 40-нм встроенную память с UMC.
Мемристор ВД
30 апреля 2008 года HP объявила об открытии мемристора, который Чуа изначально задумывал как недостающий 4-й фундаментальный элемент схемы в 1971 году. 8 июля они объявили, что начнут создание прототипа ReRAM с использованием своих мемристоров. HP сначала продемонстрировала свой мемристор с использованием TiO x , но позже перешла на TaO x , возможно, из-за повышения стабильности. Устройство на базе TaO x имеет некоторое материальное сходство с ReRAM от Panasonic, но рабочие характеристики другие. Аналогичным образом была исследована система Hf / HfOx.
Adesto Technologies
Adesto технологии ReRAM основан на нитей , полученных из электрода металла , а не кислородных вакансий. Исходная система материалов была Ag / GeS 2, но в конечном итоге перешла на ZrTe / Al 2 O 3 . Теллуровая нить имеет лучшую стабильность по сравнению с серебром. Adesto нацелена на память со сверхнизким энергопотреблением для приложений Интернета вещей (IoT). Adesto выпустила продукцию, произведенную на литейном заводе Altis, и заключила соглашение о литейном производстве 45 нм с TowerJazz / Panasonic .
Weebit Nano
Weebit Nano сотрудничает с CEA-Leti , одним из крупнейших научно-исследовательских институтов нанотехнологий в Европе, над развитием технологии ReRAM. Начиная с ноября 2017 года, компания продемонстрировала технологичность 40-нм ячеек SiOx ReRAM, после чего были продемонстрированы рабочие массивы в 2018 году и дискретные компоненты в 2020 году. В июле 2021 года компания выпустила свои первые встроенные модули ReRAM.
Перекладина
Crossbar реализует Ag нить в аморфном Si вместе с системой переключения порога для получения диода + ReRAM. Их система включает использование транзистора в архитектуре 1T1R или 1TNR. Компания Crossbar начала производство образцов по технологии 40 нм в SMIC в 2017 году. Диаметр нитей Ag визуализирован в масштабе десятков нанометров.
Программируемая ячейка металлизации
Infineon Technologies называет это ОЗУ с проводящим мостом (CBRAM), NEC предлагает вариант под названием «Nanobridge», а Sony называет свою версию «электролитической памятью». Новое исследование показывает, что CBRAM можно напечатать на 3D-принтере .
Тестовые платы ReRam
Будущие приложения
По сравнению с PRAM, ReRAM работает в более быстром масштабе (время переключения может быть менее 10 нс), в то время как по сравнению с MRAM он имеет более простую и меньшую структуру ячеек (стек MIM менее 8F²). Вертикальная интеграция 1D1R (один диод, одно резистивное переключающее устройство) может использоваться для структуры памяти с перекрестной перемычкой, чтобы уменьшить размер элементарной ячейки до 4F² (F - размер элемента). По сравнению с флэш-памятью и памятью для беговых дорожек достаточно более низкого напряжения, и, следовательно, ее можно использовать в приложениях с низким энергопотреблением.
ITRI показал, что ReRAM масштабируется ниже 30 нм. Движение атомов кислорода - ключевое явление для ReRAM на основе оксидов; одно исследование показало, что движение кислорода может происходить в областях размером до 2 нм. Считается, что если за это отвечает нить, то она не будет напрямую масштабироваться в зависимости от размера ячейки. Вместо этого предел соответствия тока (например, установленный внешним резистором) может определять допустимую нагрузку по току нити накала.
Существенным препятствием для реализации потенциала ReRAM является проблема скрытого пути, которая возникает в более крупных пассивных массивах. В 2010 году была представлена дополнительная резистивная коммутация (CRS) в качестве возможного решения для устранения помех, связанных с током утечки. В подходе CRS состояния хранения информации представляют собой пары состояний с высоким и низким сопротивлением (HRS / LRS и LRS / HRS), так что общее сопротивление всегда велико, что позволяет использовать более крупные массивы пассивных перекладин.
Недостатком первоначального решения CRS является требование к длительности переключения, вызванное обычным разрушающим считыванием на основе текущих измерений. Новый подход к неразрушающему считыванию показаний, основанный на измерении емкости, потенциально снижает требования как к износостойкости материала, так и к потребляемой мощности. Двухслойная структура используется для создания нелинейности в LRS, чтобы избежать проблемы скрытого пути. Сообщалось об однослойном устройстве, демонстрирующем сильную нелинейную проводимость в LRS. Другая двухслойная структура была представлена для биполярного ReRAM для улучшения HRS и стабильности.
Еще одно решение проблемы скрытого тока - выполнять операции чтения и сброса параллельно для всей строки ячеек, используя set для выбранных ячеек. В этом случае для массива 3D-ReRAM 1TNR со столбцом из N ячеек ReRAM, расположенных над выбранным транзистором, только внутренняя нелинейность HRS должна быть достаточно большой, поскольку количество вертикальных уровней N ограничено (например, , N = 8–32), и было показано, что это возможно для слаботочной системы ReRAM.
Моделирование кэшей 2D и 3D, созданных с помощью ReRAM и других энергонезависимых запоминающих устройств с произвольным доступом, таких как MRAM и PCM, можно выполнить с помощью инструмента DESTINY.
Предлагаемая роль в приложениях искусственного интеллекта
Возрастающие вычислительные требования, необходимые для многих улучшений в области искусственного интеллекта , заставили многих предположить, что реализации ReRAM могут быть чрезвычайно полезным оборудованием для запуска приложений искусственного интеллекта и машинного обучения .
Резистивная память с произвольным доступом ( ReRAM или RRAM ) является одним из видов энергонезависимого (NV) с произвольным доступом (RAM) , памятью компьютера , который работает путем изменения сопротивления через диэлектрический твердотельный материал, часто упоминается как мемристор .
ReRAM имеет некоторое сходство с RAM с проводящим мостом (CBRAM) и памятью с фазовым переходом (PCM). CBRAM включает в себя один электрод, обеспечивающий ионы, которые легко растворяются в материале электролита, в то время как PCM включает генерирование достаточного джоулева нагрева для осуществления фазовых переходов из аморфной в кристаллическую или из кристаллической в аморфную. Напротив, ReRAM включает в себя создание дефектов в тонком оксидном слое, известных как кислородные вакансии (места оксидных связей, где кислород был удален), которые впоследствии могут заряжаться и дрейфовать под действием электрического поля. Движение ионов кислорода и вакансий в оксиде было бы аналогично движению электронов и дырок в полупроводнике.
Хотя ReRAM изначально рассматривался как технология замены флэш-памяти , преимущества ReRAM по стоимости и производительности были недостаточны для компаний, чтобы приступить к замене. Судя по всему, для ReRAM можно использовать широкий спектр материалов. Однако открытие того, что популярный диэлектрик затвора HfO 2 с высоким κ может быть использован в качестве низковольтного ReRAM, побудило исследователей исследовать больше возможностей.
СОДЕРЖАНИЕ
История
В начале 2000-х годов ReRAM разрабатывались рядом компаний, некоторые из которых подали заявки на патенты, заявляя о различных реализациях этой технологии. ReRAM поступила в продажу в первоначально ограниченном масштабе емкости КБ.
В феврале 2012 года Rambus купил компанию ReRAM под названием Unity Semiconductor за 35 миллионов долларов. В мае 2012 года Panasonic выпустила оценочный комплект ReRAM, основанный на архитектуре ячеек памяти из оксида тантала 1T1R (1 транзистор - 1 резистор).
В 2013 году компания Crossbar представила прототип ReRAM в виде чипа размером с почтовую марку, способного хранить 1 ТБ данных. В августе 2013 года компания заявила, что крупномасштабное производство их чипов ReRAM запланировано на 2015 год. Структура памяти (Ag / a-Si / Si) очень напоминает CBRAM на основе серебра.
Также в 2013 году Hewlett-Packard продемонстрировала пластину ReRAM на основе мемристоров и предсказала, что твердотельные накопители на 100 ТБ на основе этой технологии могут быть доступны в 2018 году с емкостью 1,5 ПБ, доступной в 2020 году, как раз вовремя для остановки роста емкости флэш-памяти NAND. .
Были раскрыты различные формы ReRAM, основанные на различных диэлектрических материалах, от перовскитов до оксидов переходных металлов и халькогенидов . Диоксид кремния показал резистивное переключение еще в мае 1966 г. и недавно был вновь рассмотрен.
В 1963 и 1964 годах тонкопленочная матрица резистивной памяти была впервые предложена сотрудниками Университета Небраски-Линкольна . О дальнейшей работе над этой новой тонкопленочной резистивной памятью сообщил Дж. Г. Симмонс в 1967 году. В 1970 году сотрудники Исследовательского центра по атомной энергии и Университета Лидса попытались теоретически объяснить механизм. В мае 1997 года группа исследователей из Университета Флориды и компании Honeywell сообщила о методе изготовления «магниторезистивной памяти с произвольным доступом» с использованием плазменного травления с помощью электронного циклотронного резонанса.
Леон Чуа утверждал, что все двухконтактные устройства энергонезависимой памяти, включая ReRAM, следует рассматривать как мемристоры . Стэн Уильямс из HP Labs также утверждал, что ReRAM был мемристором . Однако другие оспаривали эту терминологию, и применимость теории мемристора к любому физически реализуемому устройству остается под вопросом. Являются ли резистивные переключающие элементы на основе окислительно-восстановительного потенциала (ReRAM) современной теорией мемристоров, остается спорным.
Оксид кремния представляет собой интересный случай переключения сопротивления. Сообщалось о двух различных режимах внутреннего переключения - на поверхности, при котором токопроводящие кремниевые нити генерируются на открытых краях (которые могут быть внутренними - внутри пор - или внешними - на поверхности мезаструктур), и объемным переключением, при котором кислородные вакансионные нити образуются в объеме оксида. Первый режим страдает от окисления волокон на воздухе, что требует герметичного уплотнения для переключения. Последний не требует герметизации. В 2014 году исследователи из Университета Райса анонсировали устройство на основе кремниевой нити, в котором использовался пористый диэлектрик из оксида кремния без внешней краевой структуры - скорее, нити образовывались на внутренних краях внутри пор. Устройства могут изготавливаться при комнатной температуре и иметь формирующее напряжение ниже 2 В, высокое соотношение включения-выключения, низкое энергопотребление, девятиразрядную емкость на ячейку, высокие скорости переключения и хорошую выносливость. Проблемы с их неработоспособностью на воздухе можно решить путем герметизации устройств. Массовое переключение в оксиде кремния, впервые разработанное исследователями из UCL ( Университетский колледж Лондона ) с 2012 года, обеспечивает низкие напряжения гальванопластики (2,5 В), коммутируемые напряжения около 1 В, время переключения в наносекундном режиме и более 10 000 000 циклов без отказа устройства - все в условиях окружающей среды.
Формирование
Основная идея состоит в том, что диэлектрик , который обычно является изолирующим, может проходить через нить накала или проводящий путь, образованный после приложения достаточно высокого напряжения. Путь проводимости может возникать в результате различных механизмов, включая миграцию вакансий или металлических дефектов. Как только нить накала сформирована, ее можно сбросить (сломать, что приведет к высокому сопротивлению) или установить (переформировать, что приведет к более низкому сопротивлению) другим напряжением. Возможно, задействовано несколько путей тока, а не одна нить накала. Наличие этих путей тока в диэлектрике может быть продемонстрировано на месте с помощью проводящей атомно-силовой микроскопии .
Путь с низким сопротивлением может быть локализованным (нитевидным) или однородным. Оба эффекта могут возникать либо на всем расстоянии между электродами, либо только в непосредственной близости от одного из электродов. Эффекты нитевидного и однородного переключения можно различить, измерив зависимость от площади состояния с низким сопротивлением.
При определенных условиях операцию формовки можно пропустить. Ожидается, что в этих условиях начальный ток уже достаточно высок по сравнению с изолирующими оксидными слоями.
Ячейки CBRAM, как правило, не требуют формирования, если ионы Cu уже присутствуют в электролите, будучи уже введенными с помощью разработанного процесса фотодиффузии или отжига; такие клетки также могут легко вернуться в исходное состояние. В отсутствие такой Cu изначально в электролите напряжение все равно будет прикладываться непосредственно к электролиту, и образование будет большой вероятностью.
Стили работы
Для запоминающих устройств с произвольным доступом предпочтительна архитектура 1T1R (один транзистор, один резистор), потому что транзистор изолирует ток к ячейкам, которые выбраны из ячеек, которые не являются ячейками. С другой стороны, архитектура точки пересечения более компактна и может обеспечивать вертикальное наложение слоев памяти, что идеально подходит для устройств массовой памяти. Однако при отсутствии каких-либо транзисторов изоляция должна быть обеспечена устройством «селектора», например диодом , последовательно с элементом памяти или самим элементом памяти. Такие возможности изоляции уступают использованию транзисторов, если соотношение включения / выключения для селектора недостаточно, что ограничивает возможность работы с очень большими массивами в этой архитектуре. Пороговый переключатель на основе тонкой пленки может работать как селектор для биполярного и униполярного ReRAM. Селектор на основе переключателя порогов был продемонстрирован для массива 64 Мб. Архитектура точки пересечения требует наличия двух терминальных селекторов, совместимых с BEOL, таких как пробивной диод для биполярного ReRAM или PIN-диод для униполярного ReRAM.
Полярность может быть двоичной или унарной. Биполярные эффекты вызывают изменение полярности при переключении с низкого сопротивления на высокое (операция сброса) по сравнению с переключением высокого на низкое (операция установки). При униполярном переключении полярность не изменяется, но используются другие напряжения.
Системы материалов для резистивных ячеек памяти
Множественные системы из неорганических и органических материалов демонстрируют эффекты термического или ионного резистивного переключения. Их можно сгруппировать в следующие категории:
- халькогениды с фазовым переходом, такие как Ge
2 Sb
2 Te
5 или AgInSbTe - бинарные оксиды переходных металлов, такие как NiO или TiO
2 - перовскиты, такие как Sr (Zr) TiO
3 или PCMO - твердотельные электролиты, такие как GeS, GeSe, SiO
Икс или Cu
2 S - органические комплексы с переносом заряда, такие как CuTCNQ
- органические донорно-акцепторные системы, такие как Al AIDCN
- двумерные (слоистые) изоляционные материалы, такие как гексагональный нитрид бора
Демонстрации
В докладах на конференции IEDM в 2007 году впервые было высказано предположение, что ReRAM демонстрирует более низкие токи программирования, чем PRAM или MRAM, без ущерба для производительности программирования, удержания или выносливости. Некоторые часто цитируемые системы ReRAM описаны ниже.
ReRAM на основе HfO 2
На IEDM 2008 ITRI продемонстрировала наивысшую на сегодняшний день технологию ReRAM с использованием HfO2 с буферным слоем Ti, показав время переключения менее 10 нс и токи менее 30 мкА. На IEDM 2010 ITRI снова побила рекорд скорости, показав время переключения <0,3 нс, а также продемонстрировав улучшения в процессе и эксплуатации, позволяющие достичь выхода продукции до 100% и срока службы до 10 миллиардов циклов. IMEC представила обновления своей программы ReRAM на симпозиуме по технологиям и схемам СБИС в 2012 году, включая решение с рабочим током 500 нА.
ITRI сосредоточился на системе Ti / HfO 2 с момента ее первой публикации в 2008 году. Патент ITRI 8362454 с тех пор был продан TSMC; количество предыдущих лицензиатов неизвестно. С другой стороны, IMEC уделяла основное внимание Hf / HfO 2 . В последнее время Winbond проделал работу по продвижению и коммерциализации ReRAM на основе HfO 2 .
Panasonic
Panasonic представила свой ReRAM на основе TaO x на IEDM 2008. Ключевым требованием была потребность в металле с высокой работой выхода, таком как Pt или Ir, для взаимодействия со слоем TaO x . Изменение содержания O приводит к изменению сопротивления, а также к изменению барьера Шоттки. Совсем недавно был реализован слой Ta 2 O 5 / TaO x , который по-прежнему требует металла с высокой работой выхода для взаимодействия с Ta 2 O 5 . Эта система была связана с демонстрацией высокой выносливости (триллион циклов), но продукты указаны на 100 тыс. Циклов. Наблюдались диаметры филаментов до
100 нм. Panasonic выпустила часть 4 Мбайт с Fujitsu и разрабатывает 40-нм встроенную память с UMC.
Мемристор ВД
30 апреля 2008 года HP объявила об открытии мемристора, который Чуа изначально задумывал как недостающий 4-й фундаментальный элемент схемы в 1971 году. 8 июля они объявили, что начнут создание прототипа ReRAM с использованием своих мемристоров. HP сначала продемонстрировала свой мемристор с использованием TiO x , но позже перешла на TaO x , возможно, из-за повышения стабильности. Устройство на базе TaO x имеет некоторое материальное сходство с ReRAM от Panasonic, но рабочие характеристики другие. Аналогичным образом была исследована система Hf / HfOx.
Adesto Technologies
Adesto технологии ReRAM основан на нитей , полученных из электрода металла , а не кислородных вакансий. Исходная система материалов была Ag / GeS 2, но в конечном итоге перешла на ZrTe / Al 2 O 3 . Теллуровая нить имеет лучшую стабильность по сравнению с серебром. Adesto нацелена на память со сверхнизким энергопотреблением для приложений Интернета вещей (IoT). Adesto выпустила продукцию, произведенную на литейном заводе Altis, и заключила соглашение о литейном производстве 45 нм с TowerJazz / Panasonic .
Weebit Nano
Weebit Nano сотрудничает с CEA-Leti , одним из крупнейших научно-исследовательских институтов нанотехнологий в Европе, над развитием технологии ReRAM. Начиная с ноября 2017 года, компания продемонстрировала технологичность 40-нм ячеек SiOx ReRAM, после чего были продемонстрированы рабочие массивы в 2018 году и дискретные компоненты в 2020 году. В июле 2021 года компания выпустила свои первые встроенные модули ReRAM.
Перекладина
Crossbar реализует Ag нить в аморфном Si вместе с системой переключения порога для получения диода + ReRAM. Их система включает использование транзистора в архитектуре 1T1R или 1TNR. Компания Crossbar начала производство образцов по технологии 40 нм в SMIC в 2017 году. Диаметр нитей Ag визуализирован в масштабе десятков нанометров.
Программируемая ячейка металлизации
Infineon Technologies называет это ОЗУ с проводящим мостом (CBRAM), NEC предлагает вариант под названием «Nanobridge», а Sony называет свою версию «электролитической памятью». Новое исследование показывает, что CBRAM можно напечатать на 3D-принтере .
Тестовые платы ReRam
Будущие приложения
По сравнению с PRAM, ReRAM работает в более быстром масштабе (время переключения может быть менее 10 нс), в то время как по сравнению с MRAM он имеет более простую и меньшую структуру ячеек (стек MIM менее 8F²). Вертикальная интеграция 1D1R (один диод, одно резистивное переключающее устройство) может использоваться для структуры памяти с перекрестной перемычкой, чтобы уменьшить размер элементарной ячейки до 4F² (F - размер элемента). По сравнению с флэш-памятью и памятью для беговых дорожек достаточно более низкого напряжения, и, следовательно, ее можно использовать в приложениях с низким энергопотреблением.
ITRI показал, что ReRAM масштабируется ниже 30 нм. Движение атомов кислорода - ключевое явление для ReRAM на основе оксидов; одно исследование показало, что движение кислорода может происходить в областях размером до 2 нм. Считается, что если за это отвечает нить, то она не будет напрямую масштабироваться в зависимости от размера ячейки. Вместо этого предел соответствия тока (например, установленный внешним резистором) может определять допустимую нагрузку по току нити накала.
Существенным препятствием для реализации потенциала ReRAM является проблема скрытого пути, которая возникает в более крупных пассивных массивах. В 2010 году была представлена дополнительная резистивная коммутация (CRS) в качестве возможного решения для устранения помех, связанных с током утечки. В подходе CRS состояния хранения информации представляют собой пары состояний с высоким и низким сопротивлением (HRS / LRS и LRS / HRS), так что общее сопротивление всегда велико, что позволяет использовать более крупные массивы пассивных перекладин.
Недостатком первоначального решения CRS является требование к длительности переключения, вызванное обычным разрушающим считыванием на основе текущих измерений. Новый подход к неразрушающему считыванию показаний, основанный на измерении емкости, потенциально снижает требования как к износостойкости материала, так и к потребляемой мощности. Двухслойная структура используется для создания нелинейности в LRS, чтобы избежать проблемы скрытого пути. Сообщалось об однослойном устройстве, демонстрирующем сильную нелинейную проводимость в LRS. Другая двухслойная структура была представлена для биполярного ReRAM для улучшения HRS и стабильности.
Еще одно решение проблемы скрытого тока - выполнять операции чтения и сброса параллельно для всей строки ячеек, используя set для выбранных ячеек. В этом случае для массива 3D-ReRAM 1TNR со столбцом из N ячеек ReRAM, расположенных над выбранным транзистором, только внутренняя нелинейность HRS должна быть достаточно большой, поскольку количество вертикальных уровней N ограничено (например, , N = 8–32), и было показано, что это возможно для слаботочной системы ReRAM.
Моделирование кэшей 2D и 3D, созданных с помощью ReRAM и других энергонезависимых запоминающих устройств с произвольным доступом, таких как MRAM и PCM, можно выполнить с помощью инструмента DESTINY.
Предлагаемая роль в приложениях искусственного интеллекта
Возрастающие вычислительные требования, необходимые для многих улучшений в области искусственного интеллекта , заставили многих предположить, что реализации ReRAM могут быть чрезвычайно полезным оборудованием для запуска приложений искусственного интеллекта и машинного обучения .
Читайте также: