Untitled ( ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ C TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN Đ ỆN TỬ )HÍ MINH MÔN THIẾT KẾ VI MẠCH SỐ ĐỀ TÀI Công nghệ bộ nhớ điện trở truy cập ngẫu nhiên (Resetive Random Acces.
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ C TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN - Đ ỆN TỬ HÍ MINH MÔN THIẾT KẾ VI MẠCH SỐ ĐỀ TÀI: Công nghệ nhớ điện trở truy cập ngẫu nhiên (Resetive Random Access Memory – RRAM) GVHD: TS Trần Hoàng Linh Sinh viên thực hiện: STT HỌ VÀ TÊN MSSV Nguyễn Đức Tiến 1711897 Nguyễn Đình Tuấn 1812691 Trần Đình Kiên 1712826 Nguyễn Trung Kiên 1712829 MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU .1 PHẦN I: TỔNG QUAN BỘ NHỚ KHÔNG KHẢ BIẾN VÀ BỘ NHỚ ĐIỆN TRỞ TRUY CẬP NGẪU NHIÊN I Bộ nhớ điện tĩnh (Non-volatile memory – NVM) I.1 Tổng quan chung I.2 Phân loại công nghệ nhớ trạng thái rắn II Bộ nhớ điện trở truy cập ngẫu nhiên (Resistance random access memory – RRAM) II.1 Vật liệu chuyển mạch điện trở (Resistance Switching Materials) .10 II.2 Chế độ chuyển mạch điện trở 14 II.3 Cơ chế chuyển mạch điện trở 14 II.3.1 Phản fíng oxy hóa khfí di chuyển ion cation (CBRAM) .14 II.3.2 Phản fíng oxy hóa khfí di chuyển ion anion (OxRRAM) 15 II.4 Đặc tính nhớ điện trở truy cập ngẫu nhiên (RRAM) 16 II.4.1 Độ bền 16 II.4.2 Sự lưu trữ .16 II.4.3 Tính đồng .17 II.5 Khả lưu trữ đa mfíc RRAM 18 II.5.1 Phương pháp thay đổi dòng điện tuân thủ 18 II.5.2 Phương pháp điều khiển điện áp đặt lại 20 II.5.3 Phương pháp thay đổi độ rộng xung chương trình / hoạt động xóa .21 II.6 Các fíng dụng RRAM 21 II.6.1 Các cổng logic không khả biến .21 II.6.2 Điện toán nơ-ron .21 II.6.3 Ứng dụng bảo mật 22 II.6.4 SRAM không khả biến 22 PHẦN II: CÁC NGHIÊN CỨU GẦN ĐÂY VỀ CÔNG NGHỆ RRAM 23 I Kiến trúc RRAM trình điều khiển ghi 23 I.1 Thực đọc ghi liệu trình điều khiển ghi 23 I.2 Kiến trúc mảng RRAM 8x8 25 II Kiến trúc 4T2R R-CIM 26 II.1 Kiến trúc mạch 4T2R đơn giản 27 II.2 Mạch read/ write 28 II.3 Mạch TCAM 29 II.4 Kiến trúc 4T2R R-CIM 30 III Nhận diện chuỗi phi markov (non-markov) thiết bị nhớ truy cập ngẫu nhiên điện trở (RRAM) dựa vật liệu hai chiều (2D) 31 III.1 Chuỗi Markov 31 III.2 Nghiên cfíu, kết 31 PHẦN III: KẾT LUẬN .36 TÀI LIỆU THAM KHẢO 37 LỜI GIỚI THIỆU Trước phát triển vũ bão khoa học, cơng nghệ CMOS hồn thiện trở thành lựa chọn số thiết kế CPU, GPU, IC chfíc cho thiết bị điện tfí Tuy nhiên bên cạnh ưu điểm nhược điểm mà cơng nghệ CMOS gặp phải tính khơng khả biến thiết bị SRAM, DRAM; tiêu thụ công suất cao thiết bị flash Trong năm gần đây, công nghệ RRAM đẩy mạnh phát triển khắc phục khó khăn cơng nghệ có Từ yếu tố trên, nhóm chúng em lựa chọn đề tài “Cơng nghệ nhớ điện trở truy cập ngẫu nhiên (Resitive Random Access Memory – RRAM)” thực tiểu luận PHẦN I: TỔNG QUAN BỘ NHỚ KHÔNG KHẢ BIẾN VÀ BỘ NHỚ ĐIỆN TRỞ TRUY CẬP NGẪU NHIÊN I Bộ nhớ điện tĩnh (Nonvolatile memory – NVM) Bộ nhớ điện tĩnh hay gọi nhớ bất biến loại nhớ máy tính lấy lại thơng tin lưu trữ bị ngắt nguồn cấp điện I.1 Tổng quan chung Ý tưởng sfí dụng cổng trơi (floating gate - FG) để tạo nhớ điện tĩnh đề xuất lần vào năm 1967 Kahng D Sze SM Bell Labs Đây lần khả nhớ điện tĩnh MOS công nhận Kể từ ngày đó, nhớ bán dẫn có đóng góp to lớn cho phát triển mang tính cách mạng điện tfí kỹ thuật số kể từ vi mạch RAM lưỡng cực 64 bit sfí dụng nhớ đệm máy tính IBM báo cáo vào năm 1969 Bộ nhớ bán dẫn thành phần thiếu xương sống hệ thống điện tfí đại Tất tảng máy tính quen thuộc từ thiết bị cầm tay đến siêu máy tính lớn sfí dụng hệ thống lưu trữ để lưu trữ liệu tạm thời vĩnh viễn Bắt đầu với thẻ đục lỗ lưu trữ vài byte liệu, hệ thống lưu trữ đạt đến dung lượng nhiều byte khơng gian mfíc tiêu thụ điện tương đối Về khía cạnh fíng dụng, tốc độ hệ thống lưu trữ cần phải nhanh tốt Khi nhớ Flash trở thành thành phần ổ đĩa thể rắn (Solid State Drive - SSD), chi phí giảm đáng kể mật độ chip nhớ gia tăng giúp tiết kiệm chi phí so với loại nhớ khác Các ổ cfíng hầu hết o SSD sfí dụng nhớ Flash có khả đáp fíng thị trường với mục đích khác Mỗi ổ cfíng lại có số thuộc tính khác tối ưu hóa điều chỉnh để đáp fíng tốt nhu cầu người dùng cụ thể Vì hạn chế tự nhiên, thiết bị nhớ thu nhỏ lại để phù hợp với hệ thống lưu trữ liệu điện tfí di động Ngày nay, điểm bật khả mở rộng dung lượng thiết bị điện tfí bị giới hạn kích thước Nghiên cfíu tiến hành theo hướng sau cho thiết bị Flash nhúng: (1) thu nhỏ kích thước nhớ thiết bị, (2) giảm điện áp hoạt động (3) tăng mật độ trạng thái ô nhớ cách sfí dụng nhớ đa cấp Để tiếp tục thu nhỏ, thiết bị Flash thông thường phải trải qua thay đổi mang tính cách mạng Về bản, người ta mong muốn toàn bộ sưu tập DVD nằm lịng bàn tay Vì cần có thiết bị lưu trữ hoạt động với nguyên tắc vật lý Rất đáng để xem xét tới nhớ bán dẫn hệ thống kỹ thuật số Các thiết bị bán dẫn sfí dụng môi trường hệ thống xác định thỏa mãn yêu cầu mật độ, tốc độ, công suất chfíc Hơn nữa, nhớ bán dẫn cịn đáp fíng yêu cầu ý nghĩa mặt kinh tế Trong suốt thập kỷ rưỡi tồn tại, nhớ bán dẫn phát triển đạt nhiều thành tựu mật độ cao hơn, tốc độ cao hơn, cơng suất thấp hơn, nhiều chfíc chi phí thấp Đồng thời, hạn chế loại nhớ tìm nhiều Do đó, tìm cơng nghệ nhằm vượt qua hạn chế có khả thay tất hầu hết công nghệ nhớ bán dẫn có để trở thành nhớ bán dẫn thơng dụng (USM) Ngồi ra, phần thưởng tạo thiết bị giành quyền kiểm soát thị trường rộng lớn, từ fíng dụng máy tính sang tất sản phẩm điện tf í tiêu dùng Nhìn tương lai, có nhiều fíng dụng nhớ cho tự động hóa cơng nghệ thơng tin để chăm sóc sfíc khỏe Đặc điểm kỹ thuật nhớ điện tĩnh (NVM) dựa cấu hình cổng trơi Trong số đó, nhớ Flash thiết kế NOR Flash NAND Flash phát triển sau sản xuất thành sản phẩm thương mại thị trường với số lượng lớn Chúng coi sản phẩm quan trọng NOR có tốc độ hoạt động cao cho fíng dụng mã lưu trữ liệu Mặt khác, NAND có mật độ cao cho fíng dụng lưu trữ liệu lớn Kể từ nhớ Flash đời, thị trường tăng trưởng theo cấp số nhân chủ yếu nhờ vào điện thoại di động loại thiết bị điện tf í tiêu dùng khác Mặc dù ngày việc tích hợp chip silicon đắt đỏ tưởng tượng đồ chơi, thẻ, nhãn, huy hiệu, giấy tờ giá trị đồ dùng y tế trang bị nhớ thiết bị điện tf í linh hoạt Với nhu cầu ngày tăng lưu trữ thông tin kỹ thuật số mật độ cao, công nghệ khiến mật độ nhớ tăng lên đáng kể vài năm qua Động lực để phát triển nhớ điện tĩnh hữu dành cho fíng dụng thiết bị điện tf í màng mỏng, linh hoạt chí in Người ta cần cơng nghệ gắn nhãn thf í với chfíc điện tfí với số lượng lớn với chi phí thấp chất nhựa giấy Khả thương mại hóa nhớ in cuộn để sạc thiết bị lưu trữ lựa chọn cho fíng dụng có độ linh hoạt cao sfíc mạnh to lớn Gần đây, polymer (bộ nhớ nhựa) thiết bị nhớ hữu xem xét quy trình đơn giản, tốc độ xf í lý nhanh khả chuyển mạch tuyệt vời Một ưu điểm đáng kể nhớ polymer so với thiết kế nhớ thơng thường xếp chồng lên theo chiều dọc, mang lại việc sfí dụng khơng gian ba chiều (3-D) Điều có nghĩa thiết bị thể rắn terabyte có số lượng bóng bán dẫn cực thấp, chẳng hạn ổ đĩa có kích thước hộp diêm, liệu tồn ngắt nguồn điện Thị trường NAND Flash liên tục phát triển nhờ đời liên tiếp thiết bị fíng dụng sáng tạo Để đáp fíng xu hướng thị trường, NVM 3-D dự kiến thay NVM phẳng, đặc biệt tiến trình 10 nm trở lên Hơn nữa, nhớ hai trạng thái (bistable) hữu có cấu trúc đơn giản thể tính nhớ vượt trội thực hóa cách sfí dụng hạt nano (NP) khác pha trộn thành vật liệu hữu đơn lớp kẹp hai điện cực kim loại Các NP hoạt động bẫy sạc phóng điện xung điện áp thích hợp Hỗn hợp NP cho thấy thời gian lưu giữ liệu, tốc độ chuyển mạch độ bền chu kỳ đầy hfía hẹn, dịng điện trạng thái q thấp phép mở rộng thành kích thước nanomet Rất nhiều ý tưởng tuyệt vời có xu hướng lụi tàn trước đạt đến điểm phát triển này, điều khơng có nghĩa thấy nhớ nhựa thị trường vào năm tới Vẫn nhiều rào cản để vượt qua, riêng phần mềm nhiệm vụ lớn, q trình sản xuất, đưa công nghệ đến gần với thực tế Không lời nói người ta lưu trữ 400.000 CD, 60.000 DVD 126 năm nhạc MPG chip nhớ polymer có kích thước thẻ tín dụng I.2 Phân loại cơng nghệ nhớ trạng thái rắn Các thiết bị lưu trữ liệu phân loại dựa nhiều tiêu chí chfíc Trong số đó, nhớ bán dẫn dựa silicon phân loại thành hai loại: điện động (volatile) điện tĩnh (nonvolatile) Trong nhớ điện động, thông tin dần nguồn điện bị tắt trừ thiết bị sfí dụng để lưu trữ liệu làm định kỳ Mặt khác, nhớ điện tĩnh lưu giữ lại thông tin lưu trữ nguồn điện bị tắt Bộ nhớ điện động, chẳng hạn nhớ truy cập ngẫu nhiên tĩnh (SRAM) nhớ truy cập ngẫu nhiên động (DRAM), cần cung cấp điện áp để giữ thông tin chúng nhớ không bị biến động, cụ thể nhớ Flash, giữ thơng tin chúng mà khơng có DRAM (viết tắt nhớ truy cập ngẫu nhiên động) cần thiết cho tính tồn vẹn liệu, ngược lại với SRAM Cấu trúc mạch nhớ DRAM, SRAM Flash thể Hình DRAM, SRAM Flash công nghệ nhớ trạng thái rắn thống trị có từ lâu, Flash 25 năm DRAM chế tạo sfí dụng bóng bán dẫn thành phần tụ điện, SRAM thường chế tạo theo cơng nghệ CMOS với sáu bóng bán dẫn Hai biến tần ghép chéo sfí dụng để lưu trữ thông tin giống Flip-Flop Để kiểm sốt truy cập, cần thêm hai bóng bán dẫn Nếu dịng ghi bật, liệu đọc thiết lập với dòng bit Mạch nhớ Flash hoạt động với thành phần FG FG nằm cổng khu vực xả nguồn cách ly lớp oxit Nếu FG không sạc, cổng kiểm sốt dịng xả nguồn FG ghi (hiệu fíng đường hầm) với electron điện áp cao cổng cung cấp, điện âm FG hoạt động chống lại cổng khơng có dịng điện xảy FG xóa điện áp cao theo hướng ngược lại cổng DRAM có lợi SRAM Flash cần MOSFET với tụ điện Nó có lợi sản xuất rẻ tiêu thụ điện thấp so với SRAM chậm SRAM Mặt khác, SRAM thường xây dựng cơng nghệ CMOS với sáu bóng bán dẫn hai biến tần ghép chéo, để kiểm sốt truy cập, cần thêm hai bóng bán dẫn SRAM có ưu điểm nhanh chóng, dễ điều khiển, tích hợp chip, nhanh chóng khơng cần bus DRAM Nhưng SRAM có nhược điểm cần nhiều bóng bán dẫn tốn kém, tiêu thụ điện cao DRAM So với DRAM SRAM, Bộ nhớ flash có FG cổng khu vực thoát nguồn cách ly lớp oxit Bộ nhớ flash không yêu cầu nguồn điện để lưu trữ thông tin chậm SRAM DRAM Hình Cấu trúc mạch nhớ DRAM, SRAM Flash Cả hai loại nhớ phân loại sâu dựa cơng nghệ nhớ mà chúng sfí dụng dựa biến động liệu thể sơ đồ phân loại mô tả Hình Bộ nhớ biến động chủ yếu bao gồm DRAM, phân loại thêm thành SDRAM RAM di động lưu giữ thơng tin dịng điện cung cấp liên tục cho thiết bị Một thiết bị nhớ nhỏ quan trọng khác SRAM Thị trường thiết bị DRAM vượt xa thị trường thiết bị SRAM, lượng nhỏ thiết bị SRAM sfí dụng hầu hết tất chip logic nhớ Tuy nhiên, DRAM sfí dụng bóng bán dẫn tụ điện bit, cho phép đạt mật độ cao nhiều với nhiều bit chip nhớ, bit rẻ nhiều SRAM không đáng giá nhớ hệ thống máy tính để bàn, nơi DRAM chiếm ưu thế, sfí dụng cho nhớ đệm SRAM phổ biến hệ thống nhúng nhỏ, cần hàng chục kilobyte Các cơng nghệ nhớ điện động mắt hy vọng thay cạnh tranh với SRAM DRAM bao gồm Z-RAM, TTRAM, A-RAM ETA RAM Trong ngành công nghiệp, công nghệ nhớ phổ thông ổn định xuất đối thủ thực để thay hai NAND Flash DRAM Bộ nhớ flash lựa chọn phù hợp cho fíng dụng điện tĩnh lý sau: Bộ nhớ điện tĩnh bán dẫn bao gồm hầu hết thiết bị gọi 'Flash' lưu giữ thông tin chúng tắt nguồn Các nhớ bán dẫn điện tĩnh khác bao gồm nhớ đọc mặt nạ (MROM), nhớ lập trình lần (OTP) chống sfí dụng nhớ đọc xóa điện (EEPROM) Flash chia thành hai loại: NOR, đặc trưng tính ghi trực tiếp kích thước ô nhớ lớn, NAND, đặc trưng tính ghi trang kích thước nhớ nhỏ Các nhớ bán dẫn điện tĩnh thường phân loại theo đặc tính chfíc chúng hoạt động lập trình xóa, thể sơ đồ mơ tả Hình Đây trơi, nitride, ROM cầu chì, Flash, công nghệ nhớ hệ khác Ngày nay, nhớ điện tĩnh có độ tin cậy cao lập trình đơn giản cách sfí dụng máy vi tính với thiết bị điện tfí đại, kỳ vọng thay nhớ có Hình Lưu đồ phân loại nhớ bán dẫn theo tiêu chí chfíc chúng Trong số đó, nhớ điện tĩnh hấp dẫn Thị trường nhớ hệ bao gồm công nghệ nhớ Chủ yếu có năm loại cơng nghệ nhớ điện tĩnh: Bộ nhớ flash, nhớ truy cập ngẫu nhiên sắt điện (FeRAM), nhớ truy cập ngẫu nhiên từ tính (MRAM), nhớ thay đổi pha (PCM) RRAM Bộ nhớ không linh hoạt, cụ thể nhớ Flash, đặc trưng chế xóa khối lớn (hoặc 'khu vực'), phân khúc phát triển nhanh ngành kinh doanh chất bán dẫn 10 năm qua Một số công nghệ bao gồm MRAM, FeRAM, PCM, nhớ truy cập ngẫu nhiên đảo từ dòng spin (STT-RAM), RRAM memristor MRAM nhớ nhớ truy cập ngẫu nhiên từ điện trở Không giống DRAM, liệu khơng lưu trữ dịng điện tích mà phần tfí lưu trữ từ tính Các phần tfí lưu trữ hình thành hai sắt từ, giữ từ trường, ngăn cách lớp cách điện mỏng Một hai nam châm vĩnh cfíu đặt cực; trường thay đổi để phù hợp với trường bên để lưu trữ nhớ STT-RAM MRAM (điện tĩnh) có khả mở rộng tốt MRAM truyền thống STT hiệu fíng định hướng lớp từ tính đường giao đường hầm từ tính van quay sfía đổi cách sfí dụng dịng điện phân cực spin Cơng nghệ đảo từ dịng spin có tiềm tạo thiết bị MRAM kết hợp yêu cầu thấp giảm chi phí Tuy nhiên, lượng dòng điện cần thiết để định hướng lại từ hóa cao hầu hết fíng dụng thương mại PCM nhớ truy cập ngẫu nhiên khơng thay đổi, cịn gọi nhớ hợp ovonic (OUM), dựa chuyển đổi pha thuận nghịch trạng thái vô định hình tinh thể thủy tinh chalcogenide, thực cách làm nóng làm mát thủy tinh Nó sfí dụng đặc tính độc đáo chalcogenide (một vật liệu sfí dụng để sản xuất đĩa CD), theo nhiệt sinh dịng điện qua chuyển vật liệu hai trạng thái Các trạng thái khác có điện trở khác sfí dụng để lưu trữ liệu Bộ nhớ lý tưởng hay gọi nhớ hợp đáp fíng đồng thời ba yêu cầu: tốc độ cao, mật độ cao không thay đổi (lưu giữ) Tại thời điểm tại, nhớ không phát triển Bộ nhớ bán dẫn điện tĩnh cổng (NVSM) có mật độ khả lưu giữ cao, tốc độ xóa chương trình thấp DRAM có tốc độ cao (khoảng 10 ns) mật độ cao, khơng có khả lưu giữ Mặt khác, SRAM có tốc độ cao (khoảng ns) bị hạn chế mật độ khả lưu giữ Dự kiến PCM có khả mở rộng tốt so với công nghệ khác RRAM nhớ điện tĩnh tương tự PCM Khái niệm RRAM chất điện môi, thường có tính cách điện, tạo để dẫn điện qua dây tóc đường dẫn hình thành sau đặt điện áp đủ cao Có thể cho rằng, cơng nghệ nhớ nên coi fíng cfí viên tiềm để thách thfíc NAND Flash Hiện tại, FRAM, MRAM, PCM sản xuất thương mại so với DRAM NAND Flash, bị giới hạn fíng dụng thích hợp Có quan điểm cho MRAM, STT-RAM RRAM công nghệ hfía hẹn nhất, chúng cịn nhiều năm cạnh tranh để áp dụng ngành Bất kỳ công nghệ phải có khả cung cấp hầu hết thuộc tính sau để thúc đẩy chấp nhận ngành quy mô đại chúng: khả mở rộng cơng nghệ, tốc độ thiết bị mfíc tiêu thụ điện tốt so với nhớ có NVSM nguồn cảm hfíng tìm kiếm nhớ điện tĩnh lạ, điều dẫn đến thành cơng việc thực hóa thương mại hóa nhớ thống Hiện q trình phát triển, lớp công nghệ nhớ điện tĩnh cung cấp phát triển lớn tính linh hoạt so với đĩa CD, đặc biệt khả thực truy cập ngẫu nhiên, nhanh chóng Khơng giống nhớ Flash, cơng nghệ hỗ trợ cập nhật chỗ, tránh tốn thêm chi phí Hơn nữa, nhớ điện tĩnh dựa chất tạo màng sinh học axit deoxyribonucleic (DNA) vật liệu hữu polymer thiết bị quan trọng cho công nghệ nhớ hệ với chi phí thấp Bộ nhớ đóng vai trị to lớn tất công nghệ phát triển Do đó, nỗ lực tạo nhớ hữu để sfí dụng thiết bị điện tfí linh hoạt điều cần thiết Tính linh hoạt đặc biệt quan trọng fíng dụng điện tfí tương lai thiết bị điện tfí đeo giá phải Nhiều nghiên cfíu thực để áp dụng cơng nghệ điện tfí linh hoạt vào lĩnh vực thiết bị thực tế pin mặt trời, bóng bán dẫn màng mỏng, điốt quang, điốt phát quang hình Nghiên cfíu nhớ linh hoạt khởi xướng cho fíng dụng điện tfí tương lai Đặc biệt, nhớ linh hoạt dựa chất hữu có ưu điểm quy trình sản xuất đơn giản, nhiệt độ thấp chi phí thấp Ngồi ra, với nhu cầu ngày tăng lưu trữ thông tin kỹ thuật số mật độ cao, mật độ nhớ NAND Flash tăng lên đáng kể vài thập kỷ qua Mặt khác, việc mở rộng kích thước thiết bị để Các bóng bán dẫn MP7, MN7, MP8, MN8 có kích thước (W, L) = (32, 32) nm Cịn bóng bán dẫn cịn lại u cầu kích thước lớn để đáp fíng dịng điện chạy qua Lượng dòng điện cao làm tăng/ giảm độ rộng vùng pha tạp để đưa vùng nhớ trạng thái RON/ ROFF Còn đầu cổng NOT tạo bóng bán dẫn MP7, MN7 MP8, MN8 đóng vai trị điều khiển 24 Giả sfí để ghi giá trị vào ô RRAM cần đưa dây write enable (WEN) DX lên trạng thái tích cực Lúc này, BL = 0, BLB = 1, Vout = Điện trở memristor thay đổi thành ROFF Nếu muốn ghi giá trị 0, tương tự ta kết hình vẽ Để đọc giá trị ghi, đưa WEN = 0, bóng bán dẫn MP2, MN2 cho phép dẫn Điều có nghĩa dịng điện từ VDD qua MP2 qua memristor qua TG (MN1 song song MP1) qua MN2 qua R1 GND Ta có: VBL = Imemristor x (RMN2 + R1) Imemristor = VDD Rt đó: Rt = RMP2 + Rmemristor + (RMP1 // RMN1) + RMN2 + R1 VBL >= Vtn , liệu Vtp