Pamięć rezystywna - teraźniejszość czy przyszłość?

Możliwości rozwoju pamięci opartych na zapisie magnetycznym lub przechowujących ładunek w komórkach półprzewodnikowych wydają się powoli wyczerpywać. Technologie, których rozwinięciem są tradycyjne dyski HDD, jak i pamięci NAND flash, a także różne rodzaje zapisu optycznego wciąż podlegają rozwojowi, niemniej jednak zakres ich zastosowania wydaje się zawężać. Czy urządzenia będące niedługo w powszechnym użyciu wymagać będą wyposażenia w pamięci nowego rodzaju? Czy przyszłością są tutaj pamięci rezystywne?

Czym jest pamięć rezystywna

Przechowywanie informacji w formie cyfrowej wymaga technologii zapewniającej możliwość istnienia dwóch stabilnych stanów (0 i 1). Kolejnym wymogiem jest łatwe przechodzenie pomiędzy obydwoma poziomami (stanami materii). W pamięci rezystywnej informacje przechowywane są w formie dwóch poziomów rezystancji komórki pamięci. Zapis odbywa się poprzez ustalenie odpowiedniego poziomu, odczyt związany jest z pomiarem danego oporu. Komórka tego rodzaju nazywana bywa memrystorem.

Memrystor

Efekt pamięciowy czyli zmiana rezystancji uzyskana jest w wyniku pobudzania impulsami napięciowymi odpowiedniej wartości. W przypadku odczytu możliwe jest wyodrębnienie dwóch różnych wartości natężenia prądu (czyli dwóch wartości rezystancji) dla określonego przedziału napięciowego. Na stan wysokiej lub niskiej rezystancji komórki memrystora wskazuje odpowiednia wartość płynącego prądu.

W przypadku pamięci rezystywnych określanych jako ReRAM (RRAM) zapis danych odbywa się poprzez zmianę rezystancji w dielektryczny półprzewodniku. Memrystor działa tutaj jako pojedyncza komórka pamięci przechowująca bity informacji. Fizycznie komórkę tworzą w tym przypadku cienkowarstwowe struktury tlenku metalu podłączone do elektrod, a zmiana rezystancji odbywa się w wyniku generowania defektów w warstwie tlenku.

Pamięci określana jako rezystywne wykorzystywać mogą różne rodzaje materiałów. Odpowiednia zmiana rezystancji wewnętrznej w wyniku działania prądu elektrycznego pozostaje jednak ich wspólną cechą. Różne rodzaje stosowanych materiałów powiązane są z odmiennymi procesami wywołującymi zmiany oporności.

Przewodzące włókna

Przewodzące mikro-włókna powstają w specjalnym materiale dielektrycznym (np. tlenek krzemu) lub elektrolitycznym pod wpływem odpowiedniego napięcia przyłożonego do okładzin (np. elektrod ze srebra i platyny) zastosowanego materiału. Włókna tworzą połączenia jonowe charakteryzujące się niską rezystancją, przerwanie połączenia generuje stan wysokiej oporności. Oba stany mają swoje odpowiedniki w wartościach logicznych danej komórki pamięci. Ten typ pamięci wykazuje pewne podobieństwo do ReRAM i często jest z nim tożsamy. Nazywany bywa różnie ze względu na przyjętą przez danego konstruktora nomenklaturę: EMC (Electrochemical Metallization Cell) albo PMC (Programmable Metallization Cell).

Węglowe nanorurki

Zmiana oprorności odbywa sie tutaj w konsekwencji łączenia bądź rozdzielania jednoatomowych struktur grafenowych (nanorurek). Proces odbywa się pod wpływem impulsów elektrycznych. Połączone nanorurki tworzą stan niskiej oporności, ich rozłączenie wywołuje wzrost rezystancji komórki pamięci, co przekłada się na jej odpowiedni stan logiczny. Niska oporność interpretowana jest podczas odczytu jako “1”, wysoka rezystancja jako “0”. Zmiana stanu odbywa się napięciem sterującym przykładanym do elektrod komórki pamięci, pomiędzy którymi znajdują się wiązania grafenowe. Technologia występuje pod nazwą NRAM (Nanotube Random Access Memory) i takim samym terminem określa się układy tego rodzaju pamięci.

Materiał zmiennofazowy

Pamięci tego rodzaju wykorzystują materiały, w których możliwa jest zmiana stanu nośnika (tzw. zmiana fazy). Ich budowa oparta jest na nośnikach krystalicznych (szkła chalkogenkowe). Materiał tego rodzaju może istnieć w niskorezystywnej postaci krystalicznej, albo w formie amorficznej, charakteryzującej się wysoką opornością. Zmiana stanu następuje pod wpływem temperatury, której wzrost odbywa się w wyniku przepływu prądu elektrycznego. Ten rodzaj pamięci określany bywa jako PCM (Phase-Change Memory).

Punktowe defekty sieci krystalicznej (wakansja)

Działanie tego typu pamięci polega na wytrącenie atomu lub jonu z danego węzła sieci krystalicznej, co skutkuje ich obecnością w przestrzeniach międzywęzłowych. Nieobsadzone węzły oraz jony stają się tutaj nośnikami ładunku umożliwiając przepływ prądu. Stopień koncentracji jonów i wakansów (punktowego defektu) wpływa na wielkość rezystancji danego połączenia. Nośniki mogą koncentrować się w formie “włókien” i ścieżek zbliżonych charakterystyką do połączeń realizowanych dzięki pamięci w rodzaju CBRAM.

Stopień zaawansowania prac nad pamięcią rezystywną

Niektóre z przedstawionych technologii posiadają już swoje przemysłowe implementacje. Oto kilka przykładów.

3D XPoint - to rodzaj pamięci, która do budowy swych komórek wykorzystuje szkło halkogenkowe. Należy do pamięci typu PCM, której materiał przyjmować może dwa możliwe stany: szklisty oraz krystaliczny. 3D XPoint (crosspoint) jest wspólnym projektem Intel oraz Micron Technology. Jej nazwa powstała na kanwie trójwymiarowej struktury komórek pamięci oraz realizowanych między nimi połączeń (komórki znajdują się na skrzyżowaniu linii - crosspoint - mogących tworzyć siatki metalowych łączy, pracujących w systemie autonomicznych warstw).

Pamięć tego rodzaju o nazwie Intel Optane trafiła do sprzedaży początkowo w formie dysków SSD (PCI-E) oraz układów pamięci podręcznej, które wraz ze specjalnym oprogramowaniem służyły przyspieszeniu działań prowadzonych z wykorzystaniem dysków HDD, a także jako kości pamięci kompatybilne z DDR4 i współpracujące z wybranymi modelami procesorów serwerowych z rodziny Intela.

Panasonic MN101L - to 8-bitowy mikrokontroler wyposażony w pamięć wewnętrzną w formie rezystywnej (ReRAM). Dzięki zastosowaniu tego rozwiązania Panasonic zapewnia znaczne przyspieszenie działania układu oraz obniżenie zużycia energii w porównaniu do rozwiązań stosujących pamięć flash. Nota katalogowa gwarantuje tutaj o 50% niższe zużycie energii i ponad 5 razy szybszy proces operacji zapisu (nie wymaga kasowania danych) niż w przypadku pamięć flash lub EEPROM. Zdaniem producenta układ doskonale sprawdza się we wszelkich rozwiązaniach z dziedziny przenośnych urządzeń medycznych, systemów bezpieczeństwa i czujników.

Fujitsu (w kooperacji z Panasonic) oferuje układy pamięci ReRAM o niewielkiej pojemności, których zadaniem jest zastępowanie pamięci flash w drobnych urządzeniach z segmentu elektroniki użytkowej (zegarki, inteligentne okulary, aparaty słuchowe).

To samo zastosowanie mają mieć układy pamięci NRAM (węglowe nanorurki) produkowane na licencji Nantero. Japoński koncern pracuje nad pierwszą generację produktów NRAM w ramach własnego procesu produkcyjnego 55 nm.

Prace nad pamięcią ReRAM prowadzi także HP (konstruktor memrystora) wraz Hynix Semiconductor of Korea. Obie marki mają wspólnie opracowywać materiały i technologie procesów produkcyjnych, w celu transferu technologii memrystorowej z obszaru badań naukowych do jej komercyjnego wykorzystania w postaci rezystancyjnej pamięci o dostępie swobodnym (ReRAM). Technologię memrystorową wdrażać będzie Hynix w swojej fabryce badawczo-rozwojowej, nie będzie jednak jedynym partnerem HP, którego celem jest stworzenie swoistego przemysłu produkującego tego typu układy pamięci.

Należy przypuszczać, iż działy badawcze innych firm także prowadzą prace nad swoimi wersjami pamięci rezystywnych. Póki co koszty produkcji tego rodzaju układów w porównaniu do pamięci flash są jednak dość wysokie, co hamuje szybkość podbijania rynku. Pamięć Optane wiązana jest ze sprzedażą procesorów serwerowych, co stawia Intel w nieco uprzywilejowanej sytuacji. Z informacji płynących z Nantero należy wnioskować, iż także Fujitsu obok samodzielnych kości planuje produkcję układów logicznych z wbudowaną pamięcią NRAM.

Choć flash broni się niskimi kosztami produkcji, zdaniem wielu analityków rynku jej losy są już przesądzone. Tendencje sprzyjająca rozwojowi sztucznej inteligencji, uczenia maszynowego, Internetu Rzeczy czy urządzeń typu wearables będą w niedalekiej przyszłości wymuszać stosowanie szybkich i niskoenergetycznych pamięci rezystywnych.

Pavel Kroupka