Resistive random-access memory

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Resistive random-access memory (RRAM ou ReRAM) est un type de mémoire non volatile en cours de développement en 2013 par différentes entreprises, dont certaines en ont brevetée des versions (par exemple Sharp Laboratories of America pour le brevet US 6531371 en juin 2001[1], Samsung Electronics pour le brevet US 7292469 en novembre 2004[2], et Micron Technology [3], Spansion [4], Macronix International [5], Winbond Electronics [6], Unity Semiconductor [7]entre ces deux dates). La technologie comporte quelques similitudes à CBRAM et à PRAM (Phase-Change Random Access Memory).

En 2013, la presse informatique affiche de bons espoirs que la mémoire RRAM va détrôner la mémoire vive DRAM et la mémoire flash grâce à des performances plusieurs fois supérieures [8]. Selon la société Crossbar, acteur majeur émergeant de la technologie RRAM, cette technologie permet de stocker 1 To de données sur une puce de la taille d’un timbre postal. Elle est également 20 fois plus rapide que la meilleure mémoire flash en août 2013, et consomme 20 fois moins d’énergie[9]. Selon Crossbar, la production à grande échelle de leurs puces RRAM est prévue pour 2015, lors d’un entretien en août 2013[10].

Origines et classification[modifier | modifier le code]

Différentes formes de ReRAM ont été décrites, sur la base de matériaux diélectriques différents, s’étendant des pérovskites aux oxydes de métaux de transition et chalcogénures. Même du dioxyde de silicium a été utilisé pour exposer la commutation résistive dès 1967[11], et a été récemment revisitée[12],[13].

Leon Chua, qui est considéré comme le père de la théorie du circuit non-linéaire, a soutenu que tous les dispositifs de mémoire non volatile à 2 bornes, y compris les ReRAM, doivent être considérés comme des memristors[14]. Stan Williams de HP Labs - co-inventeur d’un premier dispositif memristor qui marche en 2008 [15] - a également fait valoir que tous les ReRAM devraient être considérés comme des memristors[16]. Or, cet avis ne fait pas l’unanimité, étant donné que les contours délimitant la théorie du memristor restent encore en controverse [17],[18] Un groupe de chercheurs, s’appuyant sur certaines expériences sur des systèmes ReRAM, plaident pour une extension de la théorie du memristor pour inclure les caractéristiques de non passage par zéro du ReRAM[19].

Un grand nombre de systèmes de matériaux inorganiques et organiques montrant des effets de commutation résistive thermiques ou ioniques ont été démontrés dans la littérature. Ceux-ci peuvent être regroupés dans les catégories suivantes [20]:

  • les chalcogénures à changement de phase comme Ge2Sb2Te5 ou AgInSbTe
  • les oxydes de métaux à transition binaire comme NiO ou TiO2
  • les pérovskites comme Sr(Zr)TiO3 ou PCMO
  • les électrolytes à l’état solide comme GeS, GeSe, SiOx ou Cu2S
  • les complexes à transfert de charge organiques comme CuTCNQ
  • les systèmes donneurs-accepteurs organiques comme Al AIDCN
  • divers systèmes moléculaires

Mécanisme[modifier | modifier le code]

L'idée de base est qu’un matériau diélectrique, qui est normalement isolant, peut être forcé à être conducteur à travers un filament ou un chemin de conduction après l'application d'une tension suffisamment élevée. La formation de la voie de conduction peut provenir de différents mécanismes, y compris des défauts, la migration de métal, etc. Une fois que le filament est formé, il peut être remis à zéro (cassé, ce qui entraîne une résistance élevée) ou réglé (re-formé, ce qui entraîne une résistance plus faible) par une tension appliquée de façon appropriée. Des données récentes suggèrent que de nombreux chemins de courant (multifilaments), plutôt que d'un seul filament, sont probablement impliqués[21].

Une cellule de mémoire peut être produite à partir de l'élément de commutation de base de trois manières différentes. Dans l'approche la plus simple, le seul élément de mémoire peut être utilisé comme une cellule de mémoire de base, et inséré dans une configuration dans laquelle les lignes de bits parallèles sont traversées par des lignes de mots perpendiculaires avec le matériau de commutation placé entre la ligne de mot et la ligne de bits à chaque point de croisement. Cette configuration est appelée une cellule de point de croisement (cross-point cell).

Étant donné que cette architecture peut conduire à un grand courant parasite dissimulé circulant à travers les cellules de mémoire non sélectionnées par les cellules voisines, la matrice de points de croisement peut avoir un accès en lecture très lent. Un élément de sélection peut être ajouté pour améliorer la situation, mais cet élément de sélection en consomme un surplus de tension et de puissance. Une série de connexions d'une diode dans chaque point de croisement permet de d’inverser, de mettre à zéro, ou au moins affaiblir les biais dans des cellules non sélectionnées, rendant les courants parasites dissimulés négligeables. Ceci peut être arrangé d'une manière compacte similaire à une cellule de point de croisement de base. Enfin un transistor (idéalement de type MOS) peut être ajouté, ce qui rend très facile la sélection d'une cellule, optimisant ainsi le temps d'accès aléatoire, mais le prix à payer est une augmentation de place occupée.

Pour les mémoires de type à accès aléatoire, une architecture de type transistor est préférée alors que l'architecture de point de croisement et l'architecture de diode ouvrent le chemin vers l'empilement des couches de mémoire, qui sont donc idéales pour des dispositifs de stockage de masse. Le mécanisme de commutation lui-même peut être classée en différentes dimensions. Il y a d'abord les effets où la polarité entre le basculement du niveau bas de la résistance vers le niveau haut (opération de remise à zéro) est inversée, comparés au basculement du niveau haut vers le niveau bas de la résistance (opération de mise à niveau). Ces effets sont appelés effets de commutation bipolaires (bipolar switching effects). Par contre, il y a aussi des effets de commutation unipolaire (unipolar switching effect) où les opérations de mise à niveau et de remise à zéro nécessitent toutes les deux la même polarité, mais des tensions de valeurs différentes.

Une autre manière de distinguer les effets de commutation est basée sur la localisation du chemin à faible résistance. De nombreux effets de commutation de résistance montrent un comportement filamentaire, où un seul ou quelques chemins résistifs très étroits existent à l'état de basse résistance. En revanche, la commutation homogène de toute la zone peut aussi être observée. Ces deux effets peuvent se produire soit sur toute la distance entre les électrodes ou seulement se produire à proximité de l'une des électrodes. Les effets de commutation filamenteux et homogènes peuvent être distingués par la mesure de la dépendance de la zone sur l'état de faible résistance.

Références[modifier | modifier le code]

  1. Electrically programmable resistance cross point memory – consulté le 22 janvier 2014
  2. Methods of programming non-volatile memory devices including transition metal oxide layer as data storage material layer and devices so operated – consulté le 22 janvier 2014
  3. Single-polarity programmable resistance-variable memory element – consulté le 22 janvier 2014
  4. Molecular memory device – consulté le 22 janvier 2014
  5. High density chalcogenide memory cells – consulté le 22 janvier 2014
  6. Resistance random access memory – consulté le 22 janvier 2014
  7. Re-writable memory with non-linear memory element – consulté le 22 janvier 2014
  8. Une RRAM prête à détrôner la DRAM et le stockage flash ? – publié le 6 août 2013 – consulté le 22 janvier 2014
  9. Crossbar's RRAM could disrupt flash memory market – publié le 6 août 2013 – consulté le 22 janvier 2014
  10. Next-gen storage wars: In the battle of RRAM vs 3D NAND flash, all of us are winners – publié le 9 août 2013 – consulté le 23 janvier 2014
  11. D. R. Lamb and P. C. Rundle, "A non-filamentary switching action in thermally grown silicon dioxide films", Br. J. Appl. Phys. 18, 29-32 (1967)
  12. I.-S. Park et al., Jap. J. Appl. Phys. vol. 46, pp. 2172-2174 (2007).
  13. A. Mehonic et al., J. Appl. Phys. 111, 074507 (2012)
  14. Resistance switching memories are memristors - Applied Physics A, March 2011, Volume 102, Issue 4, pp 765-783 – consulté le 27 janvier 2014
  15. Remember the memristor ? – publié le 25 octobre 2012 – consulté le 29 janvier 2013
  16. HP and Hynix to produce the memristor goods by 2013 – publié le 10 octobre 2011 – consulté le 27 janvier 2014
  17. - Fundamental Issues and Problems in the Realization of Memristors – Paul Meuffels, Rohit Soni – Cornell University Library – publié le 31 juillet 2012 – consulté le 29 janvier 2014
  18. On the physical properties of memristive, memcapacitive and meminductive systems - Massimiliano Di Ventra and Yuriy V Pershin – IOPScience, Nanotechnology Volume 24 Number 25 – publié le 24 mai 2013 – consulté le 29 janvier 2014
  19. Nanobatteries in redox-based resistive switches require extension of memristor theory - I. Valov, E. Linn, S. Tappertzhofen, S. Schmelzer, J. van den Hurk, F. Lentz & R. Waser – Nature Communications 4, Article number 1771 – publié le 23 avril 2013 – consulté le 29 janvier 2014
  20. Advanced Engineering Materials
  21. Resistance switching of copper doped MoOx films for nonvolatile memory applications - Dongsoo Lee, Dong-jun Seong, Inhwa Jo, F. Xiang, R. Dong, Seokjoon Oh and Hyunsang Hwang – American Institute of Physics - Applied Physics Letters 90, 122104 (2007) – publié le 20 mars 2007 – consulté le 29 janvier 2014

Liens externes[modifier | modifier le code]