Полупроводники: мемристор простыми словами +17


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.

Рис.1. Схема типичных устройств для резистивного переключения: вертикальная и плоская конструкции.
T.E. - верхний электрод, B.E. - нижний.
Рис.1. Схема типичных устройств для резистивного переключения: вертикальная и плоская конструкции. 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.

Рис. 2. Схематичное изображение процесса формирования токопроводящих нитей.
(a) Pristine state - начальное состояние, (b) Filament formation (LRS) - формирование нити (низкое сопротивление), (c) Filament rupture (HRS) - разрыв нити (высокое сопротивление).
Рис. 2. Схематичное изображение процесса формирования токопроводящих нитей. (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:

  1. При приложении сильного электрического поля происходит резкое увеличение тока, называемое процессом «формирования», и устройство становится переключаемым. Зеленая линия на рис. 3.

  2. Устройство в состоянии низкого сопротивления переходит в состояние высокого сопротивления за счет приложения внешнего смещения, называемого «сбросом». Красная линия на рис. 3.

  3. И наоборот, состояние высокого сопротивления можно заменить на состояние низкого сопротивления, называемую «установка». Голубая линия на рис. 3.

Рис. 3. Схематичные кривые ВАХ, показывающие работу резистивного переключения.
PS - состояние формирования, LRS - состояние низкого сопротивления, HRS - состояние высокого сопротивления.
Рис. 3. Схематичные кривые ВАХ, показывающие работу резистивного переключения. 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
F (nm)

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)




Комментарии (14):

  1. Javian
    /#24365210

    Интересно что у этой памятью со стабильностью при попадании устройства во внешнее поле. Например в часто встречаемое в быту статическое электричество.

    • idamir
      /#24366346 / +1

      А всё хорошо. Токи малы у статики. Конденсатор не разряжается. Характерные поля переключений порядка межатомных полей, т. е. немного меньше пробивных.

      • AlexanderS
        /#24367424

        Интересно — а что в плане долговечности и надёжности сохранения состояний? У флеш, например, плавающий затвор, в котором заряд всё же со временем будет рассасываться. И хоть я в своё время толком не нашёл насколько надёжно хранение данных (1...10...100 лет?), это как-то не радует (некоторые советуют архивные жесткие диски раз в 10 лет менять). Тут тоже какая-то бяка будет с саморазрядом и токами утечек?

        • i-evgeny
          /#24368360 / +1

          Последняя строка в таблице о времени хранения (более 10 лет).

        • idamir
          /#24368956

          Требования к устройствам для гражданского применения: время хранения 10 лет при 85°C. Для военного - 10 лет при 125°C.

          Понятно что таких пролонгированных испытаний ещё никто не проводил. Но оценки показывают, что 10 лет RRAM может держать. Филамент за такое время спонтанно не образуется и не диссоциирует.

          • AlexanderS
            /#24369636 / +1

            Опять 10 лет. Ну ё-моё. Это в юношестве записал любимых котиков на носитель, в старости достал, а он уже и не того… Причём проблемы не было бы, если бы контроллер умел при наличии питания делать обновление зарядов, этакий memory refresh. Но ведь такой функционал наверняка опять «не завезут» — в накопителях на flash это реализовано-то мало где.

            • idamir
              /#24370336

              Таковы требования. А оценки некоторых деятелей и 100+лет дают. Надо смотреть в корень: почему 10 лет? И только потом размышлять, много это или мало.

              Хотите на века: высекайте в камне.

              • AlexanderS
                /#24370576

                Помню где-то читал, что в хранилище поколений в качестве носителей используется что-то подобное керамической плитки для надёжного хранения.
                100 лет = 1 век, кстати, меня бы вполне устроило) Но из доступного широким массам пока этот срок дают только для магнитной ленты и M-DISC. Лента капризна (вернее сами стриммеры), получается только блюрей.

  2. idamir
    /#24366348 / +2

    А где физика переключения? О чём эта статья? Где cbram, где vcram?

  3. citius
    /#24367384 / +1

    Насколько я помню, мемристоры это как "новые и лучшие аккумуляторы".

    Постоянно новости про них есть, а реальных продуктов на рынке как не было, так и нет.

    • Balling
      /#24367508

      Мемристор это один из 4 ключевых компонентов схемотехники (конденсатор, емкость, резистор, мемристор).

      • lain8dono
        /#24375276

        Конденсатор это и есть ёмкость. Вы забыли про индуктивность.

  4. mozg4d
    /#24372338

    Расскажите про логисторную логику простыми словами