ReRAM – новая технология памяти. Как работает и чем хороша

После нескольких лет некоторого затишья, когда новостей об успехах в одной из перспективных технологий памяти ReRAM не было почти никаких, наконец то появились обнадеживающие заявления. Так, ряд компаний объявил, что удалось преодолеть возникшие сложности и они готовы начать промышленное производство чипов. ReRAM – что это за технология, что сулит ее применение, каковы перспективы ее использования? Разберемся…

Суть технологии

Сначала выясним, что это такое – ReRAM. Как следует из названия, ReRAM (Resistive RAM) использует изменение сопротивления ячейки для хранения и считывания из нее информации.

Принцип действия таков. Между двумя электродами расположен слой диэлектрика. Изначально он имеет высокое сопротивление. При определенном воздействии на него (например, прикладывании напряжения определенного уровня), в нем появляются токопроводящие нити, т. е., фактически, он перестает быть диэлектриком. При изменении полярности приложенного напряжения эти токопроводящие линии разрушаются.

Приложив меньшее напряжение, можно определить проходящий через ячейку ток, и по его уровню узнать, какое значение (0 или 1) в ней хранится, т. е. выполнить операцию чтения. Среди явных достоинств то, что ReRAM – память с произвольным доступом, т. е., в отличие от используемой сейчас NAND, есть доступ к отдельной ячейке, а не к страницам данных.

Технология ReRAM не так проста, как хотелось бы, но процесс производства хоть и имеет свои особенности, но не слишком сложен. Тут можно провести аналогии с альтернативной памятью STT-MRAM. Изготовление во многом схожее, выполняется в основном на backend-of-line (BEOL) фабрике, где на уже подготовленную пластину со сформированным нижним электродом наносятся слои ячеек, осуществляется их соединение и завершается изготовление чипа. Можно сказать, что основная проблема состоит не в изготовлении микросхемы, а обеспечении ее работоспособности и достижения нужных характеристик.

Существует несколько разновидностей такой памяти, различающихся применением различных материалов для изготовления ячеек. Основными считаются OxRAM и CBRAM. Объединяет их то, что используются два электрода, верхний и нижний, между ними находится слой меняющего свои свойства диэлектрика, и вот в нем-то как раз и кроются различия.

OxRAM (Oxide-based ReRAM – металл-оксидная RAM)

OxRAM (Oxide-based ReRAM – металл-оксидная RAM). В качестве носителя заряда выступают вакансии кислорода. При приложении к электродам положительного напряжения возникает диффузия атомов кислорода и в диэлектрическом слое возникают токопроводящие линии. В качестве активного слоя используются различные соединения. Так, Panasonic использует пентаоксид тантала (Ta₂O₅). Сейчас более выигрышным является двуслойная ассиметричная структура Ta₂O₅/TaO₂-x. Может использоваться диоксид гафния HfO₂ или другие соединения.

В прошлом году Panasonic в кооперации с Fujitsu продемонстрировали второе поколение такой памяти. Если в первом варианте использовался 180-нанометровый техпроцесс, то сейчас готовится переход на 40-нм техпроцесс. В более тонком техпроцессе используются те же материалы для изготовления слоев ячейки, но их количество и расположение несколько отличается.

Panasonic использует архитектуру 1T1R (one-transistor one-resistor – один-транзистор один-резистор). Одним из недостатков ее является то, что транзистор довольно велик по размерам, чтобы обеспечить нужное значение тока. Это ограничивает возможности уменьшения ячеек и повышение плотности их размещения на кристалле.

Существуют и альтернативные варианты, например, 1D1R (один диод Шоттки и один резистор), 2D1R (два диода и резистор) и т. п. Эти структуры предназначены для снижения ошибок считывания из ячеек, когда возникает риск возникновения токов утечки через соседние ячейки с низким сопротивлением.

Есть и еще один недостаток. Долговечность ячеек не так высока, как хотелось бы, хотя она выше, чем у NAND памяти. Связано это, судя по всему, с изменением свойств ячейки после многих тысяч переключений. Физика этих изменений пока не вполне ясна.

CBRAM (conductive-bridging RAM

В отличие от металл-оксидного варианта, в активный слой из аморфного кремния внедряются атомы меди или серебра для создания токопроводящих мостиков. При этом один из электродов сделан из инертного металла (например, вольфрама), а второй – из химически активного (например, медь или серебро). При появлении на электродах напряжения, ионы металла выстраиваются в мостик, по которому и проходит ток. CBRAM требует более низкого напряжения для программирования ячеек.

Одним из основных разработчиков этого варианта ReRAM является стартап Crossbar. Как уверяют представители компании, конкурирующая вариация технологии (OxRAM) имеет ряд недостатков. Так, соотношение уровней напряжений во включенном и выключенном состояниях не такое большое, как у CBRAM. Это позволяет говорить о лучшей способности CBRAM к переходу на более тонкие техпроцессы. Сейчас уже практически есть возможность выпускать чипы по 40 нм техпроцессу, и ведутся разработки по переходу на более тонкие, вплоть до 1x нм техпроцессы.

Но более важным является то, что CBRAM имеет более низкие задержки при операциях чтения, а также более высокую производительность при записи. Одновременно ведутся работы над использованием двух различных архитектур – 1T1R и многослойной памяти.

При этом различные варианты ориентированы на различные же сферы применения. 1T1R хорошо показывает себя в качестве встроенной памяти, а многослойная – для построения запоминающих устройств.

В многослойном варианте архитектуры один транзистор может управлять несколькими ячейками, что само по себе позволяет более плотно разместить элементы на кристалле. Так, 4-слойная структура, выполненная по 16 нм техпроцессу, позволяет получить чип емкостью в 32 ГБ.

Кто работает над технологией ReRAM

Как уже упоминалось, активнейшими разработчиками являются Panasonic с Fujitsu и Crossbar. Несколько лет этой темой совместно занимались компании Sony и Micron, но не так давно последняя вышла из этого проекта, т. к. переключилась на разработку вместе с Intel памяти 3D XPoint. Свои исследования ведут HP с Western Digital, 4DS, Adesto.

Тем не менее, ряд разработчиков отдает предпочтение альтернативным технологиям. Так, GlobalFoundries, Toshiba-SK Hynix, Micron и ряд других делают ставку на STT-MRAM. На эту память переключил свои силы и Samsung.

Лицензию на производство памяти ReRAM получил китайский контрактный производитель чипов SMIC, который начал выпуск этой памяти по 40 нм техпроцессу. В ближайшее время ожидается переход на 28 нм техпроцесс. Недавно такие производители, как TSMC и UMC также включили память ReRAM в свои планы выпуска продукции.

Применение

Активная работа над перспективными вариантами памяти основывается на том факте, что используемые сейчас DRAM и NAND имеют свои специфические недостатки. Первая – быстрая, но энергозависима, вторая – не боится отключения напряжения питания, сохраняет данные, но медленная, не имеет побитового доступа к данным, да и с долговечностью не все так уж хорошо.

Альтернативные технологии памяти позволяют объединить достоинства традиционных видов памяти. Это и высокая скорость работы, и побитовый доступ, и сохранность информации при пропадании напряжения, и долговечность, и отсутствие необходимости очистки ячейки перед записью в нее новых данных…

Проблема в сложности новых технологий, необходимости использования новых материалов, порой, непривычных, нового оборудования, новых технологических цепочек. И все же постепенно новые типы памяти появляются и начинают занимать свои ниши. Именно так воспринимаются перспективы применения новых технологий. Каждая из них займет свое место.

Наиболее близки к промышленному производству и применению 3D XPoint и STT-MRAM. Хотя, собственно, почему близки? 3D XPoint уже используется в накопителях Intel Optane, STT-MRAM также постепенно начинает применяться. На той или иной стадии завершения разработки памяти на нанотрубках, FRAM, да и герой сегодняшнего рассказа – ReRAM.

Например, производимые Fujitsu-Panasonic чипы емкостью 4 Мб имеют большую плотность размещения ячеек, чем EEPROM. Учитывая это, а также то, что ReRAM потребляет меньше энергии, делает применение ее экономически выгодным там, где не требуются высокие скорости записи, но стоимость является одним из важных критериев. Как пример – замена EEPROM.

В то же время MRAM, учитывая высокую скорость работы, ориентируется на применение в микроконтроллерах, в различных устройствах, в том числе, в перспективе, для возможной замены NAND в устройствах хранения и т. п.

Сейчас ведутся исследования по применению ReRAM в системах машинного обучения на базе нейронных сетей, которые предлагают Facebook, Google и ряд других компаний. Повышенная емкость чипов этого типа памяти может заменить используемую сейчас SRAM.

В общем, перспективы есть, как и сферы, где можно будет применять эту память. Дело осталось за малым – довести технологию до промышленного производства, причем с использованием современных техпроцессов.