Резистивная память с произвольным доступом ( ReRAM или RRAM ) — это тип энергонезависимой (NV) памяти с произвольным доступом (RAM) для компьютеров, которая работает за счет изменения сопротивления на диэлектрическом твердотельном материале, часто называемом мемристором . Одним из основных преимуществ ReRAM по сравнению с другими технологиями NVRAM является возможность масштабирования ниже 10 нм.
ReRAM имеет некоторое сходство с RAM с проводящими мостами (CBRAM) и памятью с изменением фазы (PCM) в том, что они изменяют свойства диэлектрического материала. CBRAM включает в себя один электрод, обеспечивающий ионы, которые легко растворяются в электролитном материале, в то время как PCM включает в себя генерацию достаточного джоулева тепла для осуществления фазовых переходов из аморфного состояния в кристаллическое или из кристаллического в аморфное. Напротив, ReRAM включает в себя генерацию дефектов в тонком оксидном слое, известных как кислородные вакансии (места оксидных связей, где был удален кислород), которые впоследствии могут заряжаться и дрейфовать под действием электрического поля. Движение ионов кислорода и вакансий в оксиде будет аналогично движению электронов и дырок в полупроводнике.
Хотя ReRAM изначально рассматривалась как технология замены флэш-памяти , преимущества ReRAM в плане стоимости и производительности оказались недостаточными для компаний, чтобы приступить к замене. По-видимому, для ReRAM можно использовать широкий спектр материалов. Однако открытие [1] , что популярный диэлектрик с высоким κ затвором HfO 2 может использоваться в качестве низковольтной ReRAM, побудило исследователей исследовать больше возможностей.
RRAM — зарегистрированная торговая марка Sharp Corporation , японского производителя электронных компонентов, в некоторых странах, включая страны-члены Европейского Союза . [2]
Энергоэффективный чип под названием NeuRRAM исправляет старый недостаток дизайна для запуска крупномасштабных алгоритмов ИИ на меньших устройствах, достигая той же точности, что и цифровые компьютеры, по крайней мере для приложений, которым требуется всего несколько миллионов бит нейронного состояния. Поскольку NeuRRAM является аналоговой технологией, она страдает от тех же проблем с аналоговым шумом, которые преследуют другие аналоговые полупроводники. Хотя это и является недостатком, многим нейронным процессорам не требуется хранение бит-идеального состояния для выполнения полезной работы. [3]
В начале 2000-х годов ReRAM разрабатывались рядом компаний, некоторые из которых подали патентные заявки, заявляя о различных реализациях этой технологии. [4] [5] [6] ReRAM вышла на рынок с изначально ограниченной емкостью в КБ. [ необходима цитата ]
В феврале 2012 года Rambus купила компанию Unity Semiconductor, занимающуюся ReRAM, за 35 миллионов долларов. [7] В мае 2012 года Panasonic выпустила оценочный комплект ReRAM, основанный на архитектуре ячеек памяти на основе оксида тантала 1T1R (1 транзистор – 1 резистор). [8]
В 2013 году Crossbar представила прототип ReRAM в виде чипа размером с почтовую марку, который мог хранить 1 ТБ данных. В августе 2013 года компания заявила, что крупномасштабное производство их чипов ReRAM запланировано на 2015 год. [9] Структура памяти (Ag/a-Si/Si) очень похожа на CBRAM на основе серебра.
Также в 2013 году компания Hewlett-Packard продемонстрировала пластину ReRAM на основе мемристора и предсказала, что твердотельные накопители емкостью 100 ТБ, основанные на этой технологии, могут быть доступны в 2018 году, а емкостью 1,5 ПБ — в 2020 году, как раз вовремя, чтобы остановить рост емкости флэш-памяти NAND. [10]
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 года [11] и недавно был пересмотрен. [12] [13]
В 1963 и 1964 годах члены Университета Небраски-Линкольна впервые предложили тонкопленочную резистивную память . [14] [15] Дальнейшая работа над этой новой тонкопленочной резистивной памятью была представлена Дж. Г. Симмонсом в 1967 году. [16] [17] В 1970 году члены Исследовательского центра атомной энергии и Университета Лидса попытались теоретически объяснить этот механизм. [18] : 1180 В мае 1997 года исследовательская группа из Университета Флориды и Honeywell сообщила о методе изготовления «магниторезистивной памяти с произвольным доступом» с использованием плазменного травления с электронным циклотронным резонансом. [19]
Леон Чуа утверждал, что все двухтерминальные энергонезависимые запоминающие устройства, включая ReRAM, следует считать мемристорами . [20] Стэн Уильямс из HP Labs также утверждал, что ReRAM является мемристором . [21] Однако другие оспаривали эту терминологию, и применимость теории мемристора к любому физически реализуемому устройству остается под вопросом. [22] [23] [24] Вопрос о том, охватываются ли резистивно-коммутирующие элементы на основе окислительно-восстановительного потенциала (ReRAM) современной теорией мемристора, остается спорным. [25]
Оксид кремния представляет собой интересный случай переключения сопротивления. [26] Были зарегистрированы два различных режима внутреннего переключения — поверхностный, в котором проводящие кремниевые нити генерируются на открытых краях (которые могут быть внутренними — внутри пор — или внешними — на поверхности мезаструктур), и объемное переключение, в котором нити кислородных вакансий генерируются внутри объема оксида. Первый режим страдает от окисления нитей на воздухе, требуя герметичной герметизации для обеспечения переключения. Последний не требует герметизации. В 2014 году исследователи из Университета Райса объявили о создании устройства на основе кремниевых нитей, в котором использовался пористый диэлектрик из оксида кремния без внешней краевой структуры — вместо этого нити формировались на внутренних краях внутри пор. Устройства могут быть изготовлены при комнатной температуре и иметь напряжение формирования менее 2 В, высокое отношение включения-выключения, низкое энергопотребление, девятибитную емкость на ячейку, высокие скорости переключения и хорошую долговечность. Проблемы с их неработоспособностью на воздухе можно преодолеть путем герметичной герметизации устройств. [27] Массовая коммутация в оксиде кремния, впервые примененная исследователями в UCL ( Университетский колледж Лондона ) с 2012 года, [13] обеспечивает низкие напряжения электроформовки (2,5 В), напряжения переключения около 1 В, время переключения в наносекундном режиме и более 10 000 000 циклов без отказа устройства — все это в условиях окружающей среды. [28]
Основная идея заключается в том, что диэлектрик , который обычно является изолирующим, может образовывать путь проводимости после приложения достаточно высокого напряжения. [29] Путь проводимости может возникать из-за различных механизмов, включая миграцию вакансий или дефектов металла. После того, как путь проводимости сформирован, он может быть сброшен (разорван, что приводит к высокому сопротивлению) или установлен (переформирован, что приводит к более низкому сопротивлению) другим более низким напряжением. Возможно, задействовано множество путей тока, а не одна нить. [30] Наличие этих путей тока в диэлектрике может быть продемонстрировано in situ с помощью кондуктивной атомно-силовой микроскопии . [29] [31] [32] [33]
Низкоомный путь может быть локализованным (нитевидным) или однородным. Оба эффекта могут возникать либо по всему расстоянию между электродами, либо только вблизи одного из электродов. Нитевидные и однородные эффекты переключения пути проводимости можно различить, измеряя зависимость площади состояния с низким сопротивлением. [34]
При определенных условиях операцию формирования можно обойти. [35] Ожидается, что при этих условиях начальный ток уже довольно высок по сравнению с изолирующими оксидными слоями. Ячейки ReRAM обычно не требуют формирования высокого напряжения, если ионы Cu уже присутствуют в диэлектрике, будучи уже введенными в него с помощью разработанного процесса фотодиффузии или отжига; такие ячейки также могут легко вернуться в свое исходное состояние. [36] При отсутствии такого Cu, изначально находящегося в диэлектрике, напряжение, приложенное непосредственно к электролиту, имеет большую вероятность формирования. [37]
Для памяти с произвольным доступом предпочтительна архитектура 1T1R (один транзистор, один резистор), поскольку транзистор изолирует ток для ячеек, которые выбраны, от ячеек, которые не выбраны. С другой стороны, архитектура с перекрестными точками более компактна и может обеспечить вертикальное размещение слоев памяти, что идеально подходит для устройств массового хранения. Однако при отсутствии транзисторов изоляция должна быть обеспечена «селекторным» устройством, таким как диод , последовательно с элементом памяти или самим элементом памяти. Такие возможности изоляции уступают использованию транзисторов, если отношение вкл./выкл. для селектора недостаточно, что ограничивает возможность работы очень больших массивов в этой архитектуре. Пороговый переключатель на основе тонкой пленки может работать как селектор для биполярной и униполярной ReRAM. Селектор на основе порогового переключателя был продемонстрирован для массива 64 Мб. [38] Архитектура с перекрестными точками требует двухтерминальных селекторов, совместимых с BEOL, таких как сквозной диод для биполярной ReRAM [39] или PIN-диод для униполярной ReRAM. [40]
Полярность может быть как бинарной, так и унарной. Биполярные эффекты вызывают изменение полярности при переключении с низкого на высокое сопротивление (операция сброса) по сравнению с переключением с высокого на низкое (операция установки). Униполярное переключение не влияет на полярность, но использует разные напряжения.
Множественные неорганические и органические системы материалов демонстрируют тепловые или ионно-резистивные эффекты переключения. Их можно сгруппировать в следующие категории: [34]
Неорганические перовскитные материалы типа ABO3, такие как BaTiO3, SrRuO3, SrZrO3 и SrTiO3, привлекли широкий исследовательский интерес в качестве носителей информации в мемристорах из-за их замечательных эффектов переключения сопротивления и различных функциональных возможностей, таких как сегнетоэлектрические, диэлектрические и полупроводниковые физические характеристики. [44] Однако хрупкая природа и высокая стоимость процесса изготовления ограничивают широкое применение этих неорганических перовскитных материалов типа ABO3 для мемристоров. В последнее время перовскиты тригалогенида свинца типа ABX3 получили широкий исследовательский интерес для использования в оптоэлектронных устройствах, таких как фотоэлектрические элементы, фотодетекторы и светодиоды (LED). [45] В этих структурах A является одновалентным органическим или неорганическим (MA:CH3NH3+, FA: CH(NH2)2+, Cs+, Rb+), B является двухвалентным катионом металла (Pb2+, Sn2+), а X является галогенидным анионом (Cl, Br, I). Катион A находится в восьми углах кубической единицы, а катион B располагается в центре октаэдрического кластера [BX6]4, образуя трехмерную структуру перовскита. В соответствии с различными катионами A-сайта эти структуры можно классифицировать на органо-неорганические гибридные перовскиты и полностью неорганические перовскиты. [46] Более того, этот тип перовскита можно легко получить методами обработки раствором по низкой стоимости. [16] Тем не менее, благодаря включению органических катионов, было обычно обнаружено, что внутренняя термическая нестабильность метиламмониевых (МА) и формамидиниевых (ФА) тригалогенидных перовскитов свинца действительно была узким местом для разработки гибридных электронных устройств на основе перовскита. [47] Поэтому, чтобы решить эту проблему, органические катионы должны быть заменены другими ионами, такими как катионы цезия (Cs). Интересно, что есть некоторые сообщения о солнечных элементах гибридизации цезий/цезий, которые дают нам много новых подсказок для улучшения стабильности полностью неорганических электронных устройств на основе перовскита. Все больше и больше публикаций показывают, что полностью неорганические перовскиты на основе неорганических катионов Cs могут быть как структурно, так и термически стабильными выше 100 °C, в то время как гибридные перовскиты термически разлагаются до иодида свинца выше 85 °C. [48] Поэтому предполагалось, что полностью неорганические перовскиты могут быть отличными кандидатами для изготовления стабильных и высокоэффективных резистивных переключающих запоминающих устройств с использованием недорогого процесса. Учитывая, что перовскиты CsPbX3 обычно готовятся методом растворения, в кристаллах возможны точечные дефекты, такие как вакансии, междоузлия и антисайты. Эти дефекты являются существенными для резистивной переключающей памяти с преобладанием дрейфа дефектов. Таким образом, эти перовскиты CsPbX3 имеют большой потенциал для применения в запоминающих устройствах. [49]Учитывая тот факт, что переключение сопротивления в RRAM на основе галогенидного перовскита вызвано миграцией атомов галогенида через вакансии, характеристики миграции вакансии внутри RRAM являются одним из важнейших свойств материала RRAM, определяющих ее ключевые особенности. Однако, несмотря на свою важность, энергия активации вакансии галогенида в RRAM вообще не была серьезной темой для изучения. Очевидно, что небольшой активационный барьер вакансии галогенида, ожидаемый в RRAM на основе галогенидного перовскита, играет центральную роль в обеспечении работы этой RRAM при низких напряжениях и, следовательно, в режиме низкого энергопотребления. [50]
В докладах на конференции IEDM в 2007 году впервые было высказано предположение, что ReRAM демонстрирует более низкие токи программирования, чем PRAM или MRAM, не жертвуя при этом производительностью программирования, сохранением или долговечностью. [51] Некоторые часто упоминаемые системы ReRAM описаны ниже.
В 2013 году компания SanDisk опубликовала 32-гигабайтную 24-нм ReRAM-память, не предоставив подробностей, за исключением нетранзисторного устройства доступа и металлооксидного состава RRAM. [52]
В 2014 году Micron и Sony опубликовали 16-гигабайтную 27-нм ReRAM (фактически CBRAM). Вместо структуры 1T1R для одного бита, два бита были разделены между двумя транзисторами и нижними электродами, при этом верхние части (электролит, медный резервуар и верхний электрод) были общими. [53]
На IEDM 2008 компания ITRI продемонстрировала первую высокопроизводительную технологию ReRAM с использованием HfO2 с буферным слоем Ti, показав время переключения менее 10 нс и токи менее 30 мкА. На IEDM 2010 компания ITRI снова побила рекорд скорости, показав время переключения <0,3 нс, а также продемонстрировала усовершенствования процесса и эксплуатации, позволяющие увеличить выход до 100% и выносливость до 10 миллиардов циклов. [54] IMEC представила обновления своей программы ReRAM на симпозиумах 2012 года по технологии и схемам СБИС, включая решение с рабочим током 500 нА. [55]
ITRI сосредоточилась на системе Ti/HfO 2 с момента ее первой публикации в 2008 году. Патент ITRI 8362454 с тех пор был продан TSMC; [56] количество предыдущих лицензиатов неизвестно. С другой стороны, IMEC сосредоточилась в основном на Hf/HfO 2 . [57] Winbond проделала более позднюю работу по продвижению и коммерциализации ReRAM на основе HfO 2 . [58]
Китайская группа представила самую большую на сегодняшний день 1T1R RRAM, чип объемом 64 Мб, изготовленный по 130-нм техпроцессу. [59] Было достигнуто 10 миллионов циклов, а также экстраполированное сохранение данных в течение 10 лет при температуре 75 °C.
Panasonic представила свою ReRAM на основе TaO x на выставке IEDM 2008. [60] Ключевым требованием была необходимость в металле с высокой рабочей функцией, таком как Pt или Ir, для взаимодействия со слоем TaO x . Изменение содержания O приводит к изменению сопротивления, а также изменению барьера Шоттки. Совсем недавно был реализован слой Ta 2 O 5 /TaO x , который по-прежнему требует, чтобы металл с высокой рабочей функцией взаимодействовал с Ta 2 O 5 . [61] Эта система была связана с демонстрацией высокой выносливости (триллион циклов), [62] но продукты специфицированы на 100 тыс. циклов. [63] Были замечены диаметры нитей до ~100 нм. [64] Panasonic выпустила деталь 4 Мб совместно с Fujitsu, [65] и разрабатывает 40 нм встроенную память с UMC. [66]
30 апреля 2008 года HP объявила, что они обнаружили мемристор, первоначально задуманный как отсутствующий 4-й фундаментальный элемент схемы Чуа в 1971 году. 8 июля они объявили, что начнут прототипирование ReRAM с использованием своих мемристоров. [67] HP впервые продемонстрировала свой мемристор с использованием TiO x , [68] но позже перешла на TaO x , [69] возможно, из-за улучшенной стабильности. [70] Устройство на основе TaO x имеет некоторое материальное сходство с ReRAM от Panasonic, но рабочие характеристики отличаются. Система Hf/HfOx была изучена аналогичным образом. [71]
Adesto Technologies CBRAM основана на нитях, полученных из электродного металла, а не из кислородных вакансий. Первоначальная система материалов была Ag/GeS 2 [72], но в конечном итоге была перенесена на ZrTe/Al 2 O 3 . [73] Теллуровая нить достигла лучшей стабильности по сравнению с серебром. Adesto нацелилась на сверхнизкоэнергетическую память для приложений Интернета вещей (IoT). Adesto выпустила продукцию, изготовленную на литейном заводе Altis [74] и заключила соглашение о литейном производстве 45 нм с TowerJazz / Panasonic . [74]
Weebit Nano сотрудничает с CEA-Leti , одним из крупнейших в Европе научно-исследовательских институтов в области нанотехнологий, для дальнейшего развития технологии ReRAM. Начиная с ноября 2017 года компания продемонстрировала технологичность 40-нм ячеек SiOx ReRAM, [75] за которыми последовали демонстрации рабочих массивов в 2018 году [76] и дискретных компонентов в 2020 году. [77] В июле 2021 года компания выпустила свои первые встроенные модули ReRAM. [78] В сентябре 2021 года Weebit совместно с Leti изготовили, протестировали и охарактеризовали массив ReRAM объемом 1 Мб, используя 28-нм процесс FDSOI на 300-мм пластинах. [79]
Crossbar реализует Ag-нить в аморфном Si вместе с пороговой системой переключения для достижения диода+ReRAM. [80] [81] Их система включает использование транзистора в архитектуре 1T1R или 1TNR. Crossbar начал производить образцы в SMIC по 40-нм процессу в 2017 году. [82] Диаметр Ag-нити был визуализирован в масштабе десятков нанометров. [83]
Компания из Великобритании планирует создавать ячейки с использованием обычного оксида кремния. [84] [85]
Infineon Technologies называет это RAM с проводящим мостом (CBRAM), у NEC есть вариант под названием «Nanobridge», а Sony называет свою версию «электролитической памятью». Новые исследования показывают, что CBRAM можно печатать на 3D-принтере . [86] [87]
Резистивное запоминающее устройство на квантовых точках
Энергонезависимое резистивное запоминающее устройство на основе квантовых точек со скоростью переключения 10 нс и отношением ВКЛ/ВЫКЛ 10 000. Устройство показало превосходные характеристики выносливости для 100 000 циклов переключения. Тесты на сохранение показали хорошую стабильность, и устройства воспроизводимы. Предложен механизм работы памяти, основанный на захвате заряда в квантовых точках с AlOx, действующим в качестве барьера. Этот механизм поддерживается заметным изменением значения емкости в состояниях ВКЛ и ВЫКЛ. [88]
По сравнению с PRAM, ReRAM работает в более быстром масштабе времени (время переключения может быть менее 10 нс), в то время как по сравнению с MRAM, она имеет более простую, меньшую структуру ячеек (менее 8F² MIM-стек). Вертикальная интеграция 1D1R (один диод, одно резистивное коммутационное устройство) может использоваться для структуры памяти с перекрестной полосой пропускания, чтобы уменьшить размер ячейки до 4F² (F — размер элемента). [89] По сравнению с флэш-памятью и памятью Racetrack, достаточно более низкого напряжения, и, следовательно, ее можно использовать в маломощных приложениях.
ITRI показал, что ReRAM масштабируется ниже 30 нм. [90] Движение атомов кислорода является ключевым явлением для ReRAM на основе оксида; [91] одно исследование показало, что движение кислорода может иметь место в областях размером всего 2 нм. [92] Считается, что если за это отвечает нить, она не будет демонстрировать прямого масштабирования с размером ячейки. [93] Вместо этого предел соответствия тока (устанавливаемый внешним резистором, например) может определять токонесущую способность нити. [94]
Значительным препятствием для реализации потенциала ReRAM является проблема скрытых путей, которая возникает в более крупных пассивных массивах. В 2010 году было введено комплементарное резистивное переключение (CRS) в качестве возможного решения для помех тока скрытых путей. [95] 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 высокое, что позволяет использовать более крупные пассивные кросс-барные массивы.
Недостатком первоначального решения CRS является требование к коммутационной прочности, вызванное обычным деструктивным считыванием на основе измерений тока. Новый подход к неразрушающему считыванию на основе измерения емкости потенциально снижает требования как к прочности материала, так и к энергопотреблению. [96] Двухслойная структура используется для создания нелинейности в LRS, чтобы избежать проблемы скрытого пути. [97] Сообщалось об однослойном устройстве, демонстрирующем сильную нелинейную проводимость в LRS. [98] Другая двухслойная структура была введена для биполярного ReRAM для улучшения HRS и стабильности. [99]
Другим решением проблемы скрытого тока является выполнение операций чтения и сброса параллельно по всему ряду ячеек, при этом используя установку на выбранных ячейках. [100] В этом случае для массива 3D-ReRAM 1TNR со столбцом из N ячеек ReRAM, расположенных над выбранным транзистором, требуется, чтобы только собственная нелинейность HRS была достаточно большой, поскольку количество вертикальных уровней N ограничено (например, N = 8–32), и было показано, что это возможно для системы ReRAM с низким током. [101]
Моделирование 2D- и 3D-кэшей, разработанных с использованием ReRAM и других энергонезависимых запоминающих устройств с произвольным доступом, таких как MRAM и PCM, можно выполнить с помощью инструмента DESTINY [102] .
Растущие вычислительные требования, необходимые для многих улучшений в области искусственного интеллекта, привели многих к предположению, что реализации ReRAM могут стать чрезвычайно полезным оборудованием для запуска приложений искусственного интеллекта и машинного обучения . [103]
Исследователи из Школы инженерии Стэнфордского университета создали RRAM, которая «выполняет обработку ИИ внутри самой памяти, тем самым устраняя разделение между вычислительными блоками и блоками памяти». Она в два раза более энергоэффективна, чем современные разработки. [104]
[стр. 1180] Тонкопленочная резистивная матрица памяти, основанная на управляемом напряжением отрицательном сопротивлении в SiO, была впервые предложена Нильсеном и Башарой (1964), и такое устройство было описано Симмонсом и Вердербером (1968).