В этой статье я попробую объяснить простыми словами причины исследования и перспективы применения нового типа полупроводников – мемристор.
Сначала давайте дадим определение мемристору. Memristor – это электронный компонент, который сохраняет внутреннее сопротивление на основе истории приложенного напряжения и тока (memory – память, resistor - сопротивление). Изменение сопротивления является энергонезависимым, т. е. состояние сопротивления может сохраняться в течение длительного времени после удаления внешнего электрического поля.
Зачем потребовался новый электронный компонент?
Первая причина - это достижение физического предела в размещении транзисторов в интегральной схеме. Все знают закон Мура об удвоении количества транзисторов на кристалле интегральной схемы каждые 2 года, которому пытаются следовать производители микросхем.
-
По информации в Википендии о технологическом процессе (последние годы в таблице) физический предел почти достигнут. Для лучшего представления: один нанометр приблизительно равен условной конструкции из десяти молекул водорода, выстроенных в линию.
Техпроцесс
Дата
Пример
90 нм
2002-2003 гг.
Intel Pentium 4 (Prescott), AMD Turion 64 X2
65 нм
2004 г.
Intel Core/Xeon, AMD Athlon 64
45 нм / 40 нм
2006-2007 гг.
Intel Core 2 Duo, AMD Athlon II
32 нм / 28 нм
2009-2010 гг.
Intel Sandy Bridge, AMD Bulldozer, Apple A7
22 нм / 20 нм
2009-2012 гг.
Intel Ivy Bridge
16 нм / 14 нм
2014 г.
Pentium N3700 (Braswell), AMD Ryzen
10 нм
2016-2017 гг.
Apple A11 Bionic, Snapdragon 835/845
7 нм
2018 г.
Apple A12X, Snapdragon 855/865
6 нм / 5 нм
2019 г.
Apple A14, Apple M1
3 нм
2018 г.
пробные образцы Imec и Cadence Design Systems
2 нм
2021 г.
IBM заявила о создании первого 2 нм чипа
1,4 нм
2029 г.
Intel планирует переход
-
Авторы Хабра обращали внимание в своих статьях, что предел в уменьшения транзисторов уже достигнут, и это 20-25 нм (2009-2012 гг.). Дальнейший рост производительности может быть в оптимизации архитектуры.
Проектные нормы в микроэлектронике: где на самом деле 7 нанометров в технологии 7 нм?
Технологии микроэлектроники на пальцах: «закона Мура», маркетинговые ходы и почему нанометры нынче не те. (часть1, часть2, часть3)
Вторая причина связана с развитием искусственного интеллекта (ИИ): вычислительные системы сталкиваются с новыми проблемами, связанными с большими объемами данных и увеличением нагрузки на связь между памятью и процессором. Для решения этой вычислительной проблемы требуется новый подход/архитектура. Например, вычисления в памяти (IMC) представляются многообещающим подходом к устранению узких мест в памяти и обеспечению более высокого параллелизма обработки данных благодаря архитектуре массива памяти. IMC демонстрирует лучшую пропускную способность и меньшее энергопотребление по сравнению с традиционным цифровым подходом.
Решение есть, и это мемристор.
Как же работает мемристор?
Мемристор - это частный случай физического явления, которое называется резистивное переключение. Резистивное переключение - это явление, когда сопротивление диэлектрического материала изменяется в ответ на приложение сильного внешнего электрического поля. Но это не "пробой" диэлектрика, так как возможно возвращение в обратное состояние. Первым открыл явление резистивного переключения в 1962 году в пленке оксида алюминия T. W. Hickmott. А в 1971 году L. Chua предложил новый элемент электросхемы - мемристор.
Резистивные переключения происходят во многих изоляционных материалах: оксиды, нитриды, халькогениды, полупроводники, органические материалы. Однако наиболее широко резистивные переключения изучены в оксидах. Устройства для резистивных переключений имеют конфигурацию с двумя выводами, подобную конденсатору, это изображено на рис. 1.
T.E. - верхний электрод, B.E. - нижний.
Резистивное переключение происходит при формировании или разрушении токопроводящих нитей в диэлектрике. Процесс образования нитей отображен схематично на рис. 2.
(a) Pristine state - начальное состояние, (b) Filament formation (LRS) - формирование нити (низкое сопротивление), (c) Filament rupture (HRS) - разрыв нити (высокое сопротивление).
Более подробно о том, как кислородные вакансии влияют на сопротивление
-
Кислородные вакансии имеют тенденцию к скоплению и обычно образуют нитевидные формы под действием электрического поля. Когда такие кластеры образуются, сопротивление локальной области становится намного ниже, чем сопротивление окружающей оксидной матрицы и, следовательно, состояние низкого сопротивления и состояние высокого сопротивления будут определяться образованием и разрывом токопроводящих нитей, соответственно, которые просачиваются через образец.
-
Кислородные вакансии могут управлять характеристиками барьера Шоттки. В геометрии образца конденсатора, между электродами и оксидным слоем образуется граница раздела. В зависимости от разницы в работе выхода металлического электрода и оксида может быть сформирован барьер Шоттки. Под действием внешнего смещения может изменяться распределение и плотность кислородных вакансий, что влияет на высоту и ширину барьера Шоттки и приводит к изменению сопротивления образца.
-
Кислородные вакансии также могут образовывать ловушки для электронов внутри области барьера Шоттки. В этом случае барьер Шоттки может модулироваться нейтрализацией кислородных вакансий из-за захвата электронов, что также приводит к явлениям резистивного переключения.
Вольт-амперный процесс преобразования материала в мемристор можно разделить на три этапа:
-
При приложении сильного электрического поля происходит резкое увеличение тока, называемое процессом «формирования», и устройство становится переключаемым. Зеленая линия на рис. 3.
-
Устройство в состоянии низкого сопротивления переходит в состояние высокого сопротивления за счет приложения внешнего смещения, называемого «сбросом». Красная линия на рис. 3.
-
И наоборот, состояние высокого сопротивления можно заменить на состояние низкого сопротивления, называемую «установка». Голубая линия на рис. 3.
PS - состояние формирования, LRS - состояние низкого сопротивления, HRS - состояние высокого сопротивления.
Простыми словами, работу транзистора и мемристора можно описать так:
-
транзистор: подали напряжение на базу – проводит ток, убрали напряжение - не проводит ток (полупроводник). При этом используется три контакта: эмиттер, коллектор и база
-
мемристор: после напряжения установки – проводит ток, после напряжения сброса - не проводит ток (полупроводник). При этом используется два контакта.
То есть мемристор хороший кандидат для электронных схем новой архитектуры.
Преимущества мемристора
Исследование мемристоров и их применения ведется уже длительное время. Один из перспективных способов применения - это RRAM (Resistive random-access memory), резистивная память с произвольным доступом. Прототипы уже исследованы, в таблице ниже можно убедиться в значительных преимуществах некоторых характеристик нового элемента (размер, скорость, время хранения состояния).
|
|
DRAM |
FLASH |
RRAM (bipolar filament) |
||
|
Cell elements |
1T1C |
1T |
1T(D)1R |
||
|
Charge |
Charge on a capacitor |
Charge trapped in floating gate or in gate insulator |
|
||
|
Storage mechanism |
Stand alone |
Embedded |
NOR embedded |
NAND stand alone |
Valence change filament formation |
|
Feature size |
36 |
65 |
45 |
16 |
<5 |
|
Cell area |
6F2 |
(12-30)F2 |
10F2 |
4F2 |
4F2 |
|
Read time |
<10ns |
2ns |
15ns |
0.1ms |
<1ns |
|
Write/erase time |
<10ns |
2ns |
1/10ms |
1/0.1ms |
<1ns |
|
Retention time |
64ms |
4ms |
10yr |
10yr |
>10yr |
Давайте обобщим все преимущества RRAM на мемристоре:
-
Два метастабильных состояния, которые можно использовать: состояния «0» и «1» энергонезависимой памяти. Поскольку такие состояния стабильны без внешнего смещения, рабочая энергия для RRAM может быть довольно небольшой.
-
В RRAM состояния «0» и «1» можно переключать с помощью внешних электрических импульсов, что делает его работу простой и легкой.
-
Значение сопротивления каждого состояния может быть легко считано путем приложения очень небольшого напряжения без нарушения исходного состояния, что позволяет считывать данные без разрушения.
-
Простая геометрия конденсатора ячейки RRAM без транзистора делает устройство хорошо масштабируемым.
-
Поскольку явление резистивного переключения наблюдается во многих изоляционных материалах, должно быть легко найти подходящие материалы.
-
Устройства RRAM могут использоваться для преодоления ограничений масштабирования современных кремниевых устройств.
-
Двухконтактная конфигурация устройств RRAM делает их подходящими для многоуровневой структуры. Например, пассивная двухконтактная многоуровневая структура, состоящая из блоков с одним диодом и одним резистором, может считаться более выгодной, чем активные конфигурации, которые включают транзистор. Такая многослойная структура предлагает значительные преимущества для увеличения емкости памяти по сравнению с простыми двухмерными многоуровневыми структурами.
В апреле этого года израильская компания Weebit Nano заявила, что успешно протестировала резистивную память и начнет массовое производство на американском заводе компании SkyWater Technology. Это означает, что новые устройства на мемристорах появятся в уже ближайшем будущем.
Источник: Resistive switching phenomena: A review of statistical physics approaches (Jae Sung Lee, Shinbuhm Lee, and Tae Won Noh)
Автор: Евгений
