Odporová paměť s náhodným přístupem - Resistive random-access memory
| Typy paměti počítače a datového úložiště |
|---|
| Nestálý |
| Non-volatile |
Rezistivní paměť s náhodným přístupem ( ReRAM nebo RRAM ) je typ energeticky nezávislé (NV) počítačové paměti s náhodným přístupem (RAM), která funguje tak, že mění odpor napříč dielektrickým polovodičovým materiálem, často označovaným jako memristor .
ReRAM má určité podobnosti s RAM s vodivým můstkem (CBRAM) a pamětí s fázovou změnou (PCM). CBRAM zahrnuje jednu elektrodu poskytující ionty, které se snadno rozpouští v materiálu elektrolytu, zatímco PCM zahrnuje generování dostatečného Joulova zahřívání k provádění fázových změn amorfní až krystalické nebo krystalické až amorfní. Naproti tomu ReRAM zahrnuje generování defektů v tenké oxidové vrstvě, známé jako kyslíková místa (místa oxidové vazby, kde byl odstraněn kyslík), které se následně mohou nabíjet a unášet pod elektrickým polem. Pohyb kyslíkových iontů a prázdná místa v oxidu by byl analogický pohybu elektronů a děr v polovodiči.
Ačkoli byla společnost ReRAM zpočátku považována za náhradní technologii pro paměť flash , společnosti ReRAM z hlediska nákladů a výkonu nestačily na výměnu. Pro ReRAM lze zřejmě použít širokou škálu materiálů. Objev, že populární vysokovýkonový dielektrikum HfO 2 lze použít jako nízkonapěťový ReRAM, však povzbudil vědce, aby prozkoumali více možností.
RRAM® je registrovaný obchodní název společnosti Sharp Corporation , japonského výrobce elektronických součástek, v některých zemích, včetně členů Evropské unie .
Dějiny
Na počátku dvacátých let minulého století vyvíjelo ReRAM řada společností, z nichž některé podaly patentové přihlášky nárokující různé implementace této technologie. ReRAM vstoupil do komercializace na původně omezené škále kapacity KB.
V únoru 2012 koupil Rambus společnost ReRAM s názvem Unity Semiconductor za 35 milionů dolarů. Společnost Panasonic uvedla v květnu 2012 na trh vyhodnocovací sadu ReRAM založenou na architektuře paměťových buněk z oxidu tantalu 1T1R (1 tranzistor - 1 odpor).
V roce 2013 společnost Crossbar představila prototyp ReRAM jako čip o velikosti poštovní známky, který mohl ukládat 1 TB dat. V srpnu 2013 společnost tvrdila, že velkovýroba jejich čipů ReRAM byla naplánována na rok 2015. Struktura paměti (Ag/a-Si/Si) se velmi podobá CBRAM na bázi stříbra.
Také v roce 2013, Hewlett-Packard demonstroval memristor bázi ReRAM oplatky , a předpověděl, že 100 TB SSD založené na technologii mohly být k dispozici v roce 2018 s 1,5 PB kapacity jsou k dispozici v roce 2020, právě včas na zastávce v růstu NAND kapacit .
Byly popsány různé formy ReRAM, založené na různých dielektrických materiálech, od perovskitů přes oxidy přechodných kovů po chalkogenidy . Bylo ukázáno, že oxid křemičitý vykazuje odporové přepínání již v květnu 1966 a nedávno byl znovu revidován.
V letech 1963 a 1964 členové University of Nebraska – Lincoln poprvé navrhli odporovou paměťovou vrstvu s tenkým filmem . Další práci na této nové tenkovrstvé odporové paměti ohlásil JG Simmons v roce 1967. V roce 1970 se členové Atomic Energy Research Establishment a University of Leeds pokusili mechanismus teoreticky vysvětlit. V květnu 1997 oznámil výzkumný tým z University of Florida a Honeywell výrobní metodu pro „magneto-rezistivní paměť s náhodným přístupem“ pomocí leptání plazmatem z elektronové cyklotronové rezonance.
Leon Chua tvrdil, že všechna dvě koncová energeticky nezávislá paměťová zařízení včetně ReRAM by měla být považována za memristory . Stan Williams z HP Labs také tvrdil, že ReRAM je memristor . Jiní však tuto terminologii zpochybnili a použitelnost teorie memristorů na jakékoli fyzicky realizovatelné zařízení je otázkou. Zda jsou současnou teorií memristorů pokryty odporově spínací prvky na bázi redoxu (ReRAM), je sporné.
Oxid křemičitý představuje zajímavý případ přepínání odporu. Byly hlášeny dva odlišné režimy vnitřního přepínání - povrchový, ve kterém se na exponovaných hranách generují vodivá křemíková vlákna (která mohou být vnitřní - v pórech - nebo vnější - na povrchu struktur mesa), a hromadné přepínání, ve kterém v převážné části oxidu se generují vlákna uvolňující kyslík. První způsob trpí oxidací vláken na vzduchu, což vyžaduje hermetické utěsnění, aby bylo možné přepnout. Ten nevyžaduje žádné utěsnění. V roce 2014 vědci z Rice University oznámili zařízení na bázi křemíkových vláken, které používalo porézní dielektrikum z oxidu křemičitého bez vnější struktury hran - vlákna se spíše vytvářela na vnitřních hranách uvnitř pórů. Zařízení mohou být vyráběna při pokojové teplotě a mají pod-2V formovací napětí, vysoký poměr zapnutí a vypnutí, nízkou spotřebu energie, devítibitovou kapacitu na článek, vysoké spínací rychlosti a dobrou výdrž. Problémy s jejich nefunkčností ve vzduchu lze překonat hermetickým utěsněním zařízení. Hromadné přepínání v oxidu křemičitém, jehož průkopníky jsou výzkumníci z UCL ( University College London ) od roku 2012, nabízí nízké elektroformovací napětí (2,5 V), spínací napětí kolem 1 V, spínací časy v režimu nanosekund a více než 10 000 000 cyklů bez selhání zařízení - vše v okolních podmínkách.
Formování
Základní myšlenkou je, že dielektrikum , které je normálně izolační, může být vyrobeno tak, aby vedlo vláknem nebo vodivou cestou vytvořenou po aplikaci dostatečně vysokého napětí. Dráha vedení může pocházet z různých mechanismů, včetně prázdného místa nebo migrace kovových defektů. Jakmile je vlákno vytvořeno, může být resetováno (zlomeno, což má za následek vysoký odpor) nebo nastavit (znovu vytvořit, což má za následek nižší odpor) jiným napětím. Možná je zapojeno mnoho současných cest, nikoli jediné vlákno. Přítomnost těchto proudových drah v dielektriku lze demonstrovat in situ pomocí mikroskopie vodivé atomové síly .
Cesta s nízkým odporem může být buď lokalizovaná (vláknová), nebo homogenní. Oba efekty mohou nastat buď v celé vzdálenosti mezi elektrodami, nebo pouze v blízkosti jedné z elektrod. Vláknové a homogenní přepínací efekty lze rozlišit měřením plošné závislosti stavu nízkého odporu.
Za určitých podmínek lze operaci tváření obejít. Očekává se, že za těchto podmínek je počáteční proud již poměrně vysoký ve srovnání s izolačními vrstvami oxidu.
Buňky CBRAM obecně nevyžadují formování, pokud jsou v elektrolytu již přítomny ionty Cu, které již byly vneseny navrženým foto-difuzním nebo žíhacím procesem; takové buňky se také mohou snadno vrátit do původního stavu. Bez přítomnosti takového Cu zpočátku v elektrolytu by bylo napětí stále aplikováno přímo na elektrolyt a tváření by bylo silnou možností.
Provozní styly
U pamětí typu s náhodným přístupem je preferována architektura 1T1R (jeden tranzistor, jeden odpor), protože tranzistor izoluje proud do buněk, které jsou vybrány z buněk, které nejsou. Na druhé straně je křížová architektura kompaktnější a může umožňovat vertikální stohování paměťových vrstev, které jsou ideálně vhodné pro velkokapacitní paměťová zařízení. Při absenci jakýchkoli tranzistorů však musí být izolace zajištěna "selektorovým" zařízením, jako je dioda , v sérii s paměťovým prvkem nebo samotným paměťovým prvkem. Takové izolační schopnosti jsou horší než použití tranzistorů, pokud poměr zapnutí/vypnutí pro selektor není dostatečný, což omezuje schopnost provozovat velmi velká pole v této architektuře. Práhový přepínač založený na tenké vrstvě může fungovat jako volič pro bipolární a unipolární ReRAM. Selektor založený na prahovém přepínači byl demonstrován pro pole 64 Mb. Cross-point architektura vyžaduje BEOL kompatibilní dva koncové voliče jako děrovací diodu pro bipolární ReRAM nebo PIN diodu pro unipolární ReRAM.
Polarita může být binární nebo unární. Bipolární efekty způsobují obrácení polarity při přepnutí z nízkého na vysoký odpor (resetovací operace) ve srovnání s přepínáním z vysokého na nízký (nastavený provoz). Unipolární přepínání ponechává polaritu beze změny, ale používá různá napětí.
Materiálové systémy pro odporové paměťové buňky
Několik systémů anorganických a organických materiálů zobrazuje tepelné nebo iontové odporové přepínací efekty. Ty lze seskupit do následujících kategorií:
- chalkogenidy s fázovou změnou, jako je Ge
2Sb
2Te
5 nebo AgInSbTe - binární oxidy přechodných kovů, jako je NiO nebo TiO
2 - perovskity jako Sr (Zr) TiO
3 nebo PCMO - pevné elektrolyty jako GeS, GeSe, SiO
Xnebo Cu
2S - organické komplexy přenosu náboje, jako je CuTCNQ
- organické systémy dárce -příjemce, jako je Al AIDCN
- dvourozměrné (vrstvené) izolační materiály jako hexagonální nitrid boru
Demonstrace
Příspěvky z konference IEDM v roce 2007 poprvé navrhly, aby ReRAM vykazoval nižší programovací proudy než PRAM nebo MRAM, aniž by byl obětován výkon, retence nebo vytrvalost programování. Některé běžně citované systémy ReRAM jsou popsány dále níže.
HfO 2 založené ReRAM
Na IEDM 2008 byla dosud nejvýkonnější technologie ReRAM předvedena ITRI pomocí HfO2 s Ti vyrovnávací vrstvou, vykazující spínací časy menší než 10 ns a proudy menší než 30μA. Na IEDM 2010 ITRI opět překonal rychlostní rekord, ukazující dobu přepínání <0,3 ns, a zároveň ukazuje vylepšení procesu a provozu, které umožňují výtěžnost až 100% a výdrž až 10 miliard cyklů. IMEC představil aktualizace svého programu ReRAM na sympoziích 2012 o technologii a obvodech VLSI, včetně řešení s provozním proudem 500 nA.
ITRI se zaměřil na Ti / HfO 2 systému od jeho prvního zveřejnění v roce 2008. Itri patentu 8362454 byla od té doby prodána TSMC; počet předchozích držitelů licence není znám. Na druhé straně se IMEC zaměřil hlavně na Hf/HfO 2 . Winbond odvedl novější práci na pokroku a komercializaci ReRAM na bázi HfO 2 .
Panasonic
Panasonic odhalila jeho Tao x bázi ReRAM na IEDM 2008. požadavek klíč A byla potřeba funkce vysoké pracovní kovu, jako je například Pt nebo Ir k rozhraní s TAO x vrstvu. Změna obsahu O má za následek změnu odporu a také změnu Schottkyho bariéry. Nedávno byla implementována vrstva Ta 2 O 5 /TaO x , která stále vyžaduje kov s vysokou pracovní funkcí pro propojení s Ta 2 O 5 . Tento systém byl spojen s ukázkou vysoké odolnosti (bilionů cyklů), ale produkty jsou specifikovány na 100 000 cyklů. Byly pozorovány průměry vláken až ~ 100 nm. Panasonic vydal 4Mb část s Fujitsu a vyvíjí 40 nm vestavěnou paměť s UMC.
HP memristor
Dne 30. dubna 2008 společnost HP oznámila, že objevila memristor, původně představený jako chybějící 4. základní obvodový prvek od Chua v roce 1971. Dne 8. července oznámili, že začnou prototypovat ReRAM pomocí svých memristorů. Společnost HP nejprve předvedla svůj memristor pomocí TiO x , ale později přešla na TaO x , pravděpodobně kvůli lepší stabilitě. Zařízení na bázi TaO x má určitou materiálovou podobnost s Panasonicem ReRAM, ale provozní vlastnosti jsou jiné. Podobně byl studován systém Hf/HfOx.
Adesto Technologies
Adesto Technologies ReRAM vychází z vláken vytvořených z kovové elektrody, spíše než kyslík míst. Původní materiálový systém byl Ag/GeS 2, ale nakonec přešel na ZrTe/Al 2 O 3 . Telurové vlákno dosáhlo lepší stability ve srovnání se stříbrem. Společnost Adesto se zaměřila na ultralehkou paměť pro aplikace Internet-of-Things (IoT). Společnost Adesto uvedla na trh výrobky vyrobené ve slévárně Altis a uzavřela smlouvu o slévárně 45 nm se společností TowerJazz / Panasonic .
Weebit Nano
Weebit Nano spolupracuje s CEA-Leti , jedním z největších výzkumných ústavů nanotechnologií v Evropě, na podpoře technologie ReRAM. Počínaje listopadem 2017 společnost prokázala vyrobitelnost v 40nm buňkách SiOx ReRAM, po nichž následovaly ukázky pracovních polí v roce 2018 a diskrétních komponent v roce 2020. V červenci 2021 společnost nahrála své první integrované moduly ReRAM. V září 2021 Weebit spolu s Leti vyrobili, testovali a charakterizovali 1Mb pole ReRAM pomocí 28nm procesu FDSOI na 300mm oplatkách.
Břevno
Crossbar implementuje Ag vlákno v amorfním Si spolu s prahovým spínacím systémem pro dosažení diody+ReRAM. Jejich systém zahrnuje použití tranzistoru v architektuře 1T1R nebo 1TNR. Společnost Crossbar začala vyrábět vzorky na SMIC na 40 nm procesu v roce 2017. Průměr vlákna Ag byl vizualizován na stupnici desítek nanometrů.
Programovatelná metalizační buňka
Infineon Technologies tomu říká RAM (CBRAM) s vodivým můstkem, NEC má variantu s názvem „Nanobridge“ a Sony jejich verzi nazývá „elektrolytická paměť“. Nový výzkum naznačuje, že CBRAM lze tisknout 3D .
Odporové paměťové zařízení s kvantovými tečkami
Nestálé odporové paměťové zařízení na bázi kvantových teček se spínací rychlostí 10 ns a poměrem ZAP/VYP 10 000. Zařízení vykazovalo vynikající vytrvalostní vlastnosti pro 100 000 spínacích cyklů. Retenční testy prokázaly dobrou stabilitu a zařízení jsou reprodukovatelná. Operační mechanismus paměti je navržen na základě zachycování náboje v kvantových tečkách s AlOx působícím jako bariéra. Tento mechanismus je podporován výraznými změnami hodnoty kapacity ve stavech ZAP a VYP.
Testovací desky ReRam
- 8bitový MCU Panasonic AM13L-STK2: MN101LR05D s vestavěným modulem ReRAM pro vyhodnocení, konektor USB 2.0
Budoucí aplikace
Ve srovnání s PRAM pracuje ReRAM v rychlejším časovém měřítku (doba přepnutí může být kratší než 10 ns), ve srovnání s MRAM má jednodušší, menší buněčnou strukturu (méně než 8F² zásobník MIM). Pro strukturu příčníkové paměti lze použít vertikální integraci 1D1R (jedna dioda, jedno odporové spínací zařízení) ke zmenšení velikosti buňky jednotky na 4F² (F je rozměr funkce). Ve srovnání s pamětí flash a pamětí závodní dráhy stačí nižší napětí, a proto ji lze použít v aplikacích s nízkým výkonem.
ITRI ukázala, že ReRAM je škálovatelný pod 30 nm. Pohyb atomů kyslíku je klíčovým jevem pro ReRAM na bázi oxidu; jedna studie ukázala, že pohyb kyslíku může probíhat v oblastech malých až 2 nm. Předpokládá se, že pokud je zodpovědné vlákno, nevykazuje přímé měřítko s velikostí buněk. Místo toho by proudová mezní shoda (nastavená například vnějším odporem) mohla definovat proudovou kapacitu vlákna.
Významnou překážkou při realizaci potenciálu ReRAM je problém s plíživou cestou, ke kterému dochází ve větších pasivních polích. V roce 2010 bylo představeno komplementární odporové přepínání (CRS) jako možné řešení rušení proudovým proudem. V přístupu CRS jsou stavy ukládání informací dvojice stavů s vysokým a nízkým odporem (HRS/LRS a LRS/HRS), takže celkový odpor je vždy vysoký, což umožňuje větší pasivní pole příčníků.
Nevýhodou původního řešení CRS je požadavek na přepínání výdrže způsobený konvenčním destruktivním odečtem na základě aktuálních měření. Nový přístup k nedestruktivnímu odečtu na základě měření kapacity potenciálně snižuje požadavky na odolnost materiálu i spotřebu energie. K vytvoření nelinearity v LRS se používá dvouvrstvá struktura, aby se předešlo problému s plíživou cestou. Bylo hlášeno jednovrstvé zařízení vykazující silné nelineární vedení v LRS. Pro bipolární ReRAM byla zavedena další dvouvrstvá struktura pro zlepšení HRS a stability.
Dalším řešením aktuálního problému s plížením je provádět operace čtení a resetování souběžně v celé řadě buněk a současně používat sadu na vybraných buňkách. V tomto případě je pro pole 3D-ReRAM 1TNR se sloupcem buněk N ReRAM umístěných nad vybraným tranzistorem požadována dostatečně velká pouze vnitřní nelinearita HRS, protože počet vertikálních úrovní N je omezený (např. , N = 8–32), a to se ukázalo jako možné pro nízkoproudý systém ReRAM.
Modelování 2D a 3D cache navržených pomocí ReRAM a dalších energeticky nezávislých pamětí s náhodným přístupem, jako jsou MRAM a PCM, lze provést pomocí nástroje DESTINY.
Navrhovaná role v aplikacích umělé inteligence
Rostoucí výpočetní nároky nutné pro mnoho vylepšení v umělé inteligenci vedly mnohé ke spekulacím, že implementace ReRAM by mohly být extrémně užitečným hardwarem pro spouštění aplikací umělé inteligence a strojového učení .