RRAM (ReRAM, Resistive RAM)
RRAM, auch bekannt als ReRAM (Resistive Random Access Memory), ist eine Form des nichtflüchtigen Speicher (Non-Volatile Storage), der durch Änderung des Widerstands eines speziell formulierten festen dielektrischen Materials funktioniert. Ein RRAM-Baustein enthält eine Komponente, die Memristor genannt wird - eine Kontraktion des „Memory-Widerstands“ - deren Widerstand sich ändert, wenn unterschiedliche Spannungen angelegt werden.
Normalerweise leitet ein dielektrisches Material keinen elektrischen Strom. Tatsächlich werden dielektrische Substanzen in Kondensatoren zu dem spezifischen Zweck verwendet, den Stromfluss zu verhindern und die Trennung der elektrischen Ladungspole aufrechtzuerhalten. Wenn eine Probe aus dielektrischem Material einer ausreichend hohen Spannung ausgesetzt wird, leitet sie plötzlich aufgrund eines Phänomens, das als dielektrischer Zusammenbruch (dielectric breakdown) bezeichnet wird. Bei einem herkömmlichen dielektrischen Material führt ein Breakdown zu einer dauerhaften Beschädigung und zum Versagen der zugehörigen Komponente. Bei einem Memristor ist der dielektrische Breakdown aufgrund der verwendeten Materialien vorübergehend und reversibel.
Bei einer Form von Memristor bewirkt eine absichtlich angelegte Spannung, dass das Medium mikroskopisch kleine Leiterbahnen, die Filamente genannt werden, erhält. Die Filamente entstehen als Folge verschiedener Phänomene wie Metallmigration oder physikalische Defekte. Sobald ein Filament erscheint, kann es durch das Anlegen einer anderen externen Spannung gebrochen oder umgekehrt werden. Die kontrollierte Bildung und Zerstörung von Filamenten in großer Anzahl ermöglicht die Speicherung digitaler Daten. Zahlreiche Substanzen wurden auf Memristor-Eigenschaften getestet, darunter Nickeloxid, Titandioxid, verschiedene Elektrolyte, Halbleitermaterialien und sogar einige organische Verbindungen.
Eine andere Memristor-Form nutzt die Spannung, um eine Änderung des Zustands eines amorphen Feststoffs, eines so genannten Chalkogenid-Glases, zu bewirken, wobei es schnell von einem gehärteten Zustand in einen flüssigeren Zustand übergeht, wodurch sich der Widerstand des Materials ändert.
ReRAM funktioniert insbesondere durch die Anwendung der Methode zur Erzeugung physikalischer Defekte in einer Schicht aus Oxidmaterial. Diese Defekte werden als Sauerstoffleerstellen bezeichnet, und das ReRAM funktioniert wie ein Halbleiter, jedoch mit Sauerstoffionen; diese Leerstellen stellen in einem binären System zwei Werte dar, anstelle der Elektronen und Löcher eines Halbleiters.
Allgemeine Vor- und Nachteile
Die höhere Switching-Geschwindigkeit stellt einen Hauptvorteil von RRAM gegenüber anderen nichtflüchtigen Speichertechnologien wie NAND-Flash dar. Es wurden Zeitskalen von bis zu 10 Nanosekunden beobachtet. Memristor-Filamente können in Dimensionen von nur wenigen Nanometern auftreten, einem winzigen Bruchteil der Wellenlänge des sichtbaren Lichts im freien Raum, was eine hohe Speicherdichte verspricht. Die gelegentliche Bildung unbeabsichtigter Filamente, so genannter sneak paths (Schleichwege), stellt eine Herausforderung für Ingenieure dar, die die Entwicklung von Memristor-Technologie und RRAM-Bausteinen im großen Maßstab vorantreiben wollen.
ReRAM und andere Memristor-Technologien verbrauchen auch viel weniger Strom als NAND-Flash. Dadurch eignen sie sich derzeit am besten für Arbeitsspeicher in Sensorvorrichtungen für Industrie-, Automobil- und Internet of Things (IoT)-Anwendungen. Da die Herstellungskosten für ReRAM- und andere Memristor-Arten sinken, werden sie mit NAND-Flash konkurrenzfähig. Die höhere Speicherdichte, die schnelleren Lese- und Schreibgeschwindigkeiten und die geringere Leistungsaufnahme sind Gründe, warum Memristor-basierte Speichertechnologien oft als der logische Ersatz in Anwendungen wie Solid-State-Laufwerken (SSDs) und Non-Volatile Dual In-Line Memory Modules (NVDIMMs) genannt werden.
Andere Memristor-Technologien
Neben ReRAM sind weitere Memristor-Technologien in der Entwicklung oder auf dem Markt, wie Conductive-Bridging-RAM (CBRAM) und Phase-Change Memory (PCM). CBRAM verwendet eine Schicht aus elektrolytischem Material, durch die die leitfähigen Filamente erzeugt oder zerstört werden. Der Widerstand im dielektrischen Material nimmt ab oder zu, je nachdem, ob die Fäden vorhanden sind oder nicht. Diese Technologie wird derzeit von Adesto Technologies in Ultra-Low-Power-Memory für IoT-Anwendungen auf dem Markt angeboten.
Im Gegensatz dazu wendet PCM einen Strom auf das dielektrische Material an, um den Zustand eines amorphen Festkörpers - im Wesentlichen eine Art von Glas, das als Chalkogenid bekannt ist - von fest zu weniger fest zu verändern. Ursprünglich konzentrierte sich die Entwicklung darauf, das beste Material zum Erreichen dieser beiden Zustände zu finden, aber neuere Arbeiten befassen sich damit, dass das Material mehrere Zustände mit unterschiedlichen Niveaus kristalliner oder amorpher Zustände annehmen kann. Die gemeinsam von Intel und Micron Technology entwickelte 3D XPoint-Technologie basiert auf einer Gitterstruktur eines Chalkogenid-Glasmaterials, das vier Zustände halten kann.
Anbieter
Im November 2016 begann Fujitsu Semiconductor mit dem Verkauf eines 4-Megabyte (MB)-ReRAM-Chips, den es gemeinsam mit Panasonic Semiconductor Solutions entwickelt hat. Auf dem Flash Memory Summit im August desselben Jahres kündigte Western Digital an, 3D ReRAM in kommenden spezialisierten SSDs einzusetzen und damit NAND-Flash-Speicher zu ersetzen. Es wurde jedoch kein Datum für die Freigabe dieser SSDs angekündigt.
Im Oktober 2016 gab 4DS Memory Limited bekannt, dass es ReRAM-Chips entwickelt hat, die klein genug sind, um wie 3D-NAND-Flash-Speicher gestapelt werden zu können, jedoch mit einer höheren Speicherdichte.
Die israelische Firma Weebit Nano entwickelt ReRAM-Produkte auf der Basis von Siliziumoxid, was bedeutet, dass die ReRAM-Chips in bestehenden Fabriken hergestellt werden können, ohne die Geräte umrüsten zu müssen.
Im Januar 2017 begann Crossbar die Produktion von ReRAM in den Anlagen seines Partners, Semiconductor Manufacturing International.
Andere Anbieter stellen nichtflüchtiges Memory her, die auf ähnlichen Memristor-Technologien basieren. Intel brachte seine ersten 3D XPoint-Produkte im März 2017 unter dem Markennamen Optane auf den Markt. Der Luft- und Raumfahrt- sowie Rüstungskonzern BAE Systems stellt ebenfalls einen PCM-basierten Chip her, den er in strahlungsgehärteter Form verwendet.
