Резистивная память с произвольным доступом (RRAM, ReRAM, Resistive random-access memory) это энергонезависимая память разрабатывается несколькими компаниями, некоторые из них имеют свои патентованные версии ReRAM.^{[1][2][3][4][5][6][7]} Технология имеет некоторое сходство с CBRAM и PRAM.

В феврале 2012 Rambus купила(поглотила) компанию производителя ReRAM под названием Unity Semiconductor за 35 миллионнов долларов.^[8]

Panasonic has launched a ReRAM evaluation kit in May 2012 based on a tantalum oxide 1T1R (1 transistor - 1 resistor) memory cell architecture.^[9]

Different forms of ReRAM have been disclosed, based on different dielectric materials, spanning from perovskites to transition metal oxides to chalcogenides. Even silicon dioxide has been shown to exhibit resistive switching as early as 1967,^[10] and has recently been revisited.^[11][12]

Leon Chua, who is considered to be the father of non-linear circuit theory, has argued that all 2-terminal non-volatile memory devices including ReRAM should be considered memristors.^[13] Stan Williams of HP Labs has also argued that all ReRAM should be considered to be a memristor.^[14]

Принцип работы

Основная идея состоит в том, что диэлектрики, которые в нормальном состоянии имеют очень высокое сопротивление, после приложения достаточно высокого напряжения могут сформировать внутри себя проводящие нити низкого сопротивления, и по сути превратится из диэлектрика в проводник. Эти проводящие нити могут образовываться с помощью разных механизмов. С помощью приложения соответствующих уровней напряжения проводящие нити могут быть как разрушены (и материал снова станет диэлектриком), так и сформированы снова (и материал опять станет проводником).^[15] Есть несколько эффектов переключения состояний. Первый из них требует одну полярность напряжения для операций переключения с низкого на высокий уровень сопротивления (операция сброса бита), и противоположную полярность для операций переключения с высокого на низкий уровень сопротивления (операция установки бита). Эти эффекты называются эффектами биполярного переключения. Напротив, есть также эффекты однополярного переключения, когда оба операция (и сброса, и установки бита) требуют одной и той же полярности, но разной величины напряжения. Другой метод классификации - по типу проводящего участка. Некоторые эффекты при переключении формируют несколько тонких нитей, причем только некоторые из них находятся в проводящем состоянии. Другие эффекты переключения формируют гомогенные (однородные) зоны вместо нитей. Причем в обоих случаях области проводимости могут формироваться как на протяжении всего расстояния между электродами, так и концентрироваться вблизи электрода.^[16]

Т.е. материал по сути является управляемым постоянным резистором с двумя или более переключаемыми уровнями сопротивления. Чтение информации происходит с помощью приложения к одному концу резистора некоторого низкого напряжения и измерению уровня напряжения на другом конце. В случае с двумя уровнями сопротивления резистор можно рассматривать как управляемую перемычку - при логической 1 на входе на выходе либо 1 (напряжение достаточное для распознавания как логическая единица, например более 3В) либо 0 (напряжение недостаточное для распознавания как логическая единица, например менее 2,5В).

Ячейки памяти могут быть соединены с линиями данных в кристалле тремя способами: напрямую, через диоды и через транзисторы. Ячейки памяти собираются в классическую матрицу со строками и столбцами (и слоями, для многослойной памяти), при этом управление каждой конкретной ячейкой идет с помощью приложения напряжения к определенному столбцу и определенной строке, в точке пересечения которых и лежит целевая ячейка. Так как не все ячейки обладают максимальным сопротивлением (некоторые из них переключены в проводящее состояние, некоторые нет - это же память), эта конфигурация подвержена большим токам утечки, которые протекают через соседние (не выбранные) ячейки, находящиеся в проводящем состоянии, что сильно затрудняет оценку сопротивления выбранной ячейки, поэтому скорость чтения будет относительно мала. Для улучшения ситуации могут быть добавлены дополнительные выбирающие элементы, но они потребуют дополнительного напряжения и мощности. Например диоды, включенные последовательно с ячейками, могут значительно минимизировать токи утечек за счет в несколько раз увеличенного смещения паразитных путей утечки относительно целевой (например прямое смещение кремниевого диода равно 0,6В, а смещение самого короткого паразитного пути в двумерной и трехмерной матрицах состоит из трех таких диодов, и составит 1,8В. Если напряжение чтения установить в пределах 0,8..1,5В - чтение ячейки пройдет успешно и без помех), причем диоды могут быть встроены в основу ячейки памяти (ячейка из кремния, подключена к металлическим линиям строк и столбцов, в точке соединения металла и кремния может быть создан диод), не отнимая под себя дополнительного места в кристалле. В конце концов каждая ячейка может быть снабжена транзистором (в идеале МОП-транзистором), что полностью исключит паразитные токи утечки, позволив легко и быстро выбирать конкретную ячейку и без помех читать ее состояние, что только увеличит скорость чтения памяти, но транзисторы потребуют для себя дополнительного места в кристалле и дополнительных управляющих линий.

Для памяти с произвольным доступом с топологией матрицы предпочтительнее транзисторы, но диоды могут открыть путь к наложению нескольких слоев памяти друг на друга, что позволит получить трехмерную сверхплотную упаковку из множества слоев (с адресом вида x,y,z), и соответственно сверхемкие модули памяти, что идеально для устройств хранения. Переключающий механизм (селектор строк, столбцов и слоев) может быть многомерным и многоканальным, и работать с несколькими слоями одновременно и независимо.

Material systems for resistive memory cells

A large number of inorganic and organic material systems showing thermal or ionic resistive switching effects have been demonstrated in the literature. These can be grouped into the following categories:^[16]

1. phase change chalcogenides like Ge₂Sb₂Te₅ or AgInSbTe

2. binary transition metal oxides like NiO or TiO₂

3. perovskites like Sr(Zr)TiO₃ or PCMO

4. solid-state electrolytes like GeS, GeSe, or Cu₂S

5. organic charge transfer complexes like CuTCNQ

6. organic donor–acceptor systems like Al AIDCN

7. various molecular systems

Demonstrations

Papers at the IEDM Conference in 2007 suggested for the first time that ReRAM exhibits lower programming currents than PRAM or MRAM without sacrificing programming performance, retention or endurance.^[17] On April 30, 2008 HP announced that they had discovered the memristor, originally envisioned as a missing 4th fundamental circuit element by Leon Chua in 1971. On July 8 they announced they would begin prototyping ReRAM using their memristors.^[18] At IEDM 2008, the highest performance ReRAM technology to date was demonstrated by ITRI,^[19] showing switching times less than 10 ns and currents less than 30 microamps. At IEDM 2010, ITRI also broke the speed record, showing <0.3 ns switching time, while also showing process and operation improvements to allow yield up to 100%.^[20] Also, IMEC presented several updates of their ReRAM program at the 2012 Symposia on VLSI Technology and Circuits, including a solution with a 500nA operating current.^[21]

Future applications

ReRAM has the potential to become the front runner among other non-volatile memories. Compared to PRAM, ReRAM operates at a faster timescale (switching time can be less than 10 ns), while compared to MRAM, it has a simpler, smaller cell structure (less than 8F² MIM stack). Compared to flash memory and racetrack memory, a lower voltage is sufficient and hence it can be used in low power applications.

ITRI has recently shown that ReRAM is scalable below 30 nm.^[22] The motion of oxygen atoms is a key phenomenon for oxide-based ReRAM;^[23] one study has indicated that oxygen motion may take place in regions as small as 2 nm.^[24] It is believed that if a filament is responsible, it would not exhibit direct scaling with cell size.^[25] Instead, the current compliance limit (set by an outside resistor, for example) could define the current-carrying capacity of the filament.^[26]

A significant hurdle to realizing the potential of ReRAM is the sneak path problem which occurs in larger passive arrays. In 2010, complementary resistive switching (CRS) was introduced as a possible solution to the interference from sneak-path currents.^[27] In the CRS approach, the information storing states are pairs of high and low resistance states (HRS/LRS and LRS/HRS) so that the overall resistance is always high, allowing for larger passive crossbar arrays.

A drawback to the initial CRS solution is the high requirement for switching endurance caused by conventional destructive readout based on current measurements. A new approach for a nondestructive readout based on capacity measurement potentially lowers the requirements for both material endurance and power consumption.^[28] Bi-layer structure is used to produce the nonlinearity in LRS to avoid the sneak path problem.^[29] Single layer device exhibiting a strong nonlinear conduction in LRS has been recently reported.^[30] Another bi-layer structure is introduced for bipolar ReRAM to improve the HRS and stability of the memory endurance performance.^[31]

Примечания