Добрый день Хабр. Многие уже слышали о такой вещи как резистивной памяти с произвольным доступом (ReRam), которая вроде должна быть лучше обычной DRAM. Только в чем лучше? Насколько лучше? Действительно она способна дать новый толчок развитию электроники или же это просто маркетинг? Давайте попробуем разобраться с этим вопросом.
Часть 1 — Принцип работы ReRam
Сначала хотелось бы сказать на чем базируется ReRam. Так если в основе обычной памяти лежат конденсаторы и транзисторы, то для ReRam ключевым элементом выступает мемристор, предсказанный задолго до своего создания. Но как физики смогли предсказать его появление? Давайте посмотрим на такую вещь: в электротехнике существуют четыре основных параметра — заряд/ток и напряжение/поток. Если расположить эти четыре параметра по углам квадрата и посмотреть на их взаимосвязь, то можно обнаружить следующее:
Диагонали связаны простыми дифференциально/интегральными уравнениями. По краям же прямоугольника расположены три основных элемента схемотехники — резистор, конденсатор и катушка индуктивности. Как видно остается еще одно ребро связывающее поток и заряд. Еще в середине прошлого века физик ( Леон Чуа) предположил, что существую и четвертый пассивный элемент электронных цепей, который он назвал мемристором. То есть теоретически элемент открыли еще очень давно, но на практике элемент реализовали только недавно, тем самым завершив прямоугольник.
Основной особенностью мемристора( на котором и базируется ReRam) является зависимость сопротивления от заряда пропущенного через элемент. Так после приложения положительного напряжения и пропускания некого заряда элемент становиться проводящим, и наоборот при приложении обратной полярности элемент фактически перестает проводить ток.
Измерение состоянии резистивного элемента производиться простым приложением небольшого напряжения одному концу и измерением напряжения на другом конце. В итоге подавая небольшое напряжение мы можем считывать данные, подавая высокое напряжение мы можем записывать данные.
Часть 2 — Физика работы ReRam
Сразу оговорюсь, что существуют множество реализаций ReRam на основе разных материалов, а в данной статье я опишу только один на основе структуры метал-диэлектрик-метал. На данной структуре и были реализованы первые прототипы ReRam и она же продолжает оставаться самой перспективной.
Физически на чипе ячейка резистивной памяти состоит из следующих значимых слоев:
Где соответственно снизу вверх встречаются следующие слои
Si — кремниевая подложка.
Sio2 — слой изолятора (получаемый отжигом исходной подложки).
Pt — нижний металлический контакт ячейки
ALD — тонкий слой диэлектрика (3-10 нм), нанесенного способом ALD. В качестве диэлектрика выступает материал ABOx, где или A — титан и B — алюминий/скандий или A — цирконий/гафний и B — скандий/иттрий/ лютеций.
TiN — верхний металлический контакт.
Au — подводимые к ячейке контакты
SiNx — изолятор.
Главным функциональным слоем в этой структуре выступает слой оксида. Он не является диэлектриком в классическом понимании этого слова, а является материалом, способным к переносу заряда. Носителями заряда в активном слое на основе смешанного оксида являются вакансии кислорода.
При приложении напряжения может происходить следующее:
- Диффузия атомов кислорода сквозь метал и увлечение концентрации кислорода на границе метал/активный слой.
- Окисление приграничной области металла, что ведет к избытку вакансий кислорода вблизи границы металл/активный слой
- Или же наоборот восстановлению приграничной области металла, что ведет к дефициту вакансий кислорода вблизи границы металл/активный слой.
Таким образом, при приложении электрического поля изменяются концентрация носителей заряда в активном слое и распределение носителей по толщине активного слоя. А направление процесса определяется полярностью приложенного напряжения. Больше подробностей можно узнать из патента откуда была взята данная информация. Стоит заметь, что этот патент получили российские ученые у нас же в России.
Под электронным микроскопом структура выглядит так (ячейки произведены и измерены НОЦом ‘Нанотехнологии’ и ЦКП МФТИ):
Где верхний и нижний металлический контакт расположены под углом 90° друг к другу и являются общими для многих ячеек, тем самым общее количество ячеек на плате N x M( где N и M число контактов). Подавая и снимания напряжение с соответствующих ножек, мы можем получать доступ к произвольной ячейке.
Вах ячейки данной ячейки:
Как видно из Вах в диапазоне напряжений до 0,5 в по модулю происходит считывание. Запись данных в ячейку производиться при напряжении 1,5-2 в по модулю.
Часть 3 — Сравнение характеристик ReRam и Flash
Для лучшего понимания все данные записаны в таблицу:
| Параметр | ReRam | Flash |
| Количество циклов перезаписи | 107 | 105 |
| Затраты энергии | ~0.1 пДж/бит | 10-100 пДж/бит |
| Напряжение записи | 1.5-3 В | 10 В |
| Напряжение считывания | 0.1-0.5 В | ~1 В |
| Время перезаписи | <1-7 секунд | ~1-5 секунд |
Как видно ReRam значимо превосходит традиционный тип памяти, в таких важных вещах как число циклов перезаписи, затратах энергии, времени перезаписи. Стоит отметить, что пониженное напряжение записи и считывания так же является важным параметром, особенно для мобильных устройств. Хотя приведенные в таблице результаты имеют только оценочный характер и на практике результаты могут быть значимо хуже память все равно выглядит очень перспективной, и действительно поможет сделать следующий шаг в развитии микроэлектроники. Но не только мемристоры интересны не только своими высокими характеристиками, но и возможностью создания на них принципиально новых логических элементов.
Часть 4 — мемристор, как искусственный нейрон
Одной из самых интересных и развивающихся на данных момент технологий, является технологии нейронных сетей. Правда их развитие столкнулось с тем, что нейроны по сути является аналоговыми устройствами и попытка их эмуляции с помощью цифровых средств сильно просаживает производительность. Для лучшего понимания масштаба проблемы приведу следующую таблицу:
| Параметр | Человеческий  |
Суперкомпьютер |
| Масса | 1 кг | 105 кг |
| Потребляемая мощность | 20 вт | 106 вт |
| Число структурных едениц | 1011 нейронов | 105 процессоров |
| Число элементарных едениц | 1014 синапсисов | 1014 транзисторов |
| Тактовая частота | дай бог 100 гц | >109 гц |
| Время распознания изображения | 0.1 секунды | ~1 месяц |
Как видно, что если по количеству элементарных единиц искусственная сеть и приблизилась к прототипу, а по частоте значимо обошла, то почти по всем остальным параметрам имеется колоссальное отставание. И никакое наращивание мощности процессоров не способно сократить разрыв в виду принципиальной не эффективности используемой технологии. Выйти на новый уровень производительности возможно, только перейдя на совершенно другие технологии, где нет эмуляции аналоговых процессов, а сами элементы работают в аналоговом режиме.
И именно здесь на помощь приходят мемристоры. Как показали эксперименты у этого типа элементов наблюдается не одна ветвь ВАХ:
Элемент ведет себя по разному в зависимости от предыстории использования, что и позволит его использовать в качестве искусственного нейрона. К сожалению, я не сильно разбираюсь в данной тематике и, да бы не вводит в ложное заблуждение, не буду сообщать каких либо подробностей, а просто приведу несколько картинок:
Часть 5 — проблемы ReRam
Как было сказано выше — мемристоры являются очень перспективной технологией, разработки которой ведутся уже достаточно долго. Но несмотря на активную работу по данной тематике коммерческие решения все еще остаются недоступными. Что это — происки капиталистов, желающих выжать все возможное из старых технологий и только потом перейти на новые или нечто другое? Точный ответ на данный вопрос мне не известен. Определенно денежный вопрос тут играет свою роль, но насколько сильно нам вряд ли удастся это узнать.
Но помимо денежного вопроса есть и другая трудность — отсутствие технологий изготовления. Как было сказано, в качестве элемента функционального слоя выступают такие довольно экзотические элементы, как скандий/иттрий/ лютеций. Являясь редкоземельными элементами, они довольно стоят и поэтому раньше не являясь интересными в качестве используемых материалов для интегральных схем. Слабая изученность данных элементов вместе с их довольно скверных характером поведения в кристаллах сильно осложняет изготовление. Самой большой проблемой остаются границы метал/активный слой — так сейчас элементы плохо ложатся друг на друга и присутствует диффузия, размывающая границы.
Фактически может потребоваться десятки лет дополнительных исследований прежде, чем мемристоры перейдут из стадии лабораторных исследований к стадии промышленного производства.Правда со слов представителя компании, занимающего изучением данного вопроса основные проблемы уже почти решены, и есть надежда в скором времени увидеть данную технологию на рынке.
А пока, стоит посмотреть на небольшую оптимистическую зарисовку по поводу нашего ближайшего будущего:
Автор: intet
