ngẫu nhiên điện trở (RRAM) dựa trên vật liệu hai chiều (2D)
III.1. Chuỗi Markov
- Chuỗi Markov là một quá trình ngẫu nhiên mô tả một dãy các biến cố khả dĩ trong đó xác suất của mỗi biến cố chỉ phụ thuộc vào trạng thái của biến cố trước đó.
- Chuỗi Markov được ứng dụng rộng rãi, làm mô hình thống kê của nhiều quá trình đời thực, như là nghiên cứu hệ thống điều khiển hành trình trong các xe motor, hàng đợi hay hàng người đến sân bay, tỉ giá hối đoái tiền tệ và sự biến đổi của dân số quần thể.
III.2. Nghiên cứu, kết quả.
- Công nghệ thông tin ngày càng đóng một vai trò quan trọng trong xã hội loài người khi lượng xử lý dữ liệu ngày càng tăng theo cấp số nhân. Việc kết hợp các tế bào bộ nhớ, cảm biến và thuật toán vào phần cứng và thiết bị tiên tiến là rất quan trọng. Vì vậy, bộ
nhớ truy cập ngẫu nhiên điện trở (RRAM) đã được đề xuất để bổ sung cho các thiết bị bộ nhớ truyền thống khác vì tốc độ hoạt động cao, mật độ tích hợp cao, cũng như các ứng dụng trong các thuật toán phức tạp. Gần đây, vật liệu hai chiều (2D) đã nổi lên như một nền tảng linh hoạt cho các ứng dụng RRAM. So với vật liệu rời, RRAMs dựa trên vật liệu 2D có hiệu suất vượt trội. Ví dụ, RRAM dựa trên vật liệu 2D đã cho thấy khả năng chuyển đổi cực nhanh <10 ns, chuyển mạch điện trở không biến đổi có độ dày cực kì mỏng, dòng chuyển mạch phụ ở giá trị pA, điện áp hoạt động cực thấp là 100 mV, hoạt động tần số cao ở mức GHz, và độ ổn định tuyệt vời ở nhiệt độ cao lên đến 340 độ C. - Quá trình phi Markov (non-markov) tồn tại rộng rãi trong nhiệt động lực học, nó yêu cầu phải tích hợp rất nhiều transistor và bộ nhớ với độ phức tạp hệ thống lớn. Các thiết bị bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên điện trở (RRAM) dựa trên vật liệu hai chiều (2D) có tiềm năng cho các hệ thống tính toán thế hệ tiếp theo với độ phức tạp giảm đi nhiều.
- Theo nghiên cứu, các nhà khoa học đã đạt được một chuỗi phi Markov trong một thiết bị RRAM riêng lẻ dựa trên vật liệu mica với cấu trúc: kim loại /mica /kim loại thẳng đứng.
- Họ nhận thấy rằng các ion kali (K +) trong mica 2D chuyển động dần dần theo hướng của điện trường đặt vào, làm cho mica cách điện ban đầu có tính dẫn điện. Sự tích lũy K+ được thay đổi bởi điện trường ở cả cửa sổ bộ nhớ đơn và đôi, với tỷ lệ dòng điện bật / tắt cao, độ ổn định và độ lặp lại cao, được xác minh bằng phép đo bằng kính hiển vi nguyên tử. RRAM làm từ mica có khả năng ghi nhớ cực tính của điện áp đầu vào, cho nên có thể xác định được các phản ứng khác nhau của K+ trong mica ở điện trường âm và dương. Đây là lần đầu tiên một quá trình phi Markov được thiết lập trong một RRAM duy nhất, trong đó chuyển động của K+ phụ thuộc vào điện áp kích thích cũng như trạng thái trước đó của chúng.
Hình ảnh quang học của mảnh mica có độ dày được xác định bằng AFM
Đặc tuyến điện áp - dòng điện với sóng tam giác tuần hoàn
- Khi biên độ của sóng tam giác là 2V, các đường đặc tuyến cho thấy rằng ban đầu mica có tính cách điện, và dần dần chuyển sang trạng thái có điện trở thấp ở điện áp dương 1,5V. Sự hình thành của các sợi dẫn điện nano dẫn đến hình thành cửa sổ RRAM ổn định với chiều rộng 0,8 V sau 30 chu kỳ (Hình d). Khi biên độ của điện áp tăng lên 4 V, ta thấy RRAM lưỡng cực ổn định với độ rộng 1,5V chỉ sau 10 chu kỳ (Hình f), cho thấy sự hình thành dễ dàng hơn trong mica với điện trường cao hơn. Trái ngược với RRAM truyền thống với các cửa sổ đơn cực hoặc lưỡng cực, thiết bị dựa trên mica hiển thị duy nhất các cửa sổ bộ nhớ đơn và đôi, việc chuyển đổi giữa chúng có thể được thực hiện đơn giản bằng cách kiểm soát cường độ của điện trường đặt vào.
- Sự hình thành hai cửa sổ RRAM khác nhau chủ yếu là do điện áp quét trong các phạm vi khác nhau. Hình g cho thấy các trạng thái của K + sau khi thiết bị được kích thích bởi điện áp sóng tam giác có biên độ 2V. K + từ lớp trên cùng của mica đi qua lớp Al2 (AlSi3O10) (OH) 2 (điện áp quét từ 0 đến 2V). Sự tích tụ cục bộ của K + cho phép mica dẫn điện, làm cho dòng điện tăng dần theo hướng thẳng đứng của mica. Giai đoạn tiếp theo (điện áp quét từ 2 đến 0 V) làm điện trường dương, thúc đẩy sự tích lũy các ion dương. Do đó, ở giai đoạn này mica dẫn điện hơn so với giai đoạn trước, hình thành cửa
sổ RRAM. Lưu ý rằng K + tích lũy được trở lại vị trí ban đầu ngay lập tức khi điện trường chuyển sang âm, điều này sẽ đưa mica trở lại trạng thái cách điện. Do đó, thiết bị mica hiển thị một cửa sổ RRAM duy nhất dưới mức quét điện áp tăng dần từ –2 đến 2 V.
Hình g- Các trạng thái K+ với biên độ điện áp 2V
- Ngược lại, trong trường hợp điện trường cao hơn (Hình h), RRAM dựa trên mica cho thấy được tính chất lưỡng cực. Điện áp âm cao hơn làm đảo ngược sự sắp xếp của K+ so với điện tích dương. Sự tích tụ của K + cũng kết nối hai điện cực, góp phần vào sự dẫn điện của mica. Kết quả là RRAM làm từ mica có trạng thái điện trở thấp ở mức quét từ 0 đến 5 V. Sự tích tụ của K+ sẽ dần dần phân tán theo điện trường dương, cung cấp đủ năng lượng để trả mica về trạng thái cách điện ban đầu. Điều này làm cho thiết bị hiển thị một cửa sổ RRAM theo chiều kim đồng hồ cho điện áp dương. Còn khi điện áp quét từ 0 đến –5 V, K + sẽ tích tụ lại dưới điện trường cao hơn. Việc cung cấp thêm điện áp âm sẽ tạo ra dòng điện trong mica cao hơn trước với sự tích tụ ngày càng tăng của K +, dẫn đến cửa sổ RRAM cho điện áp âm.
Hình h- Các trạng thái K+ với biên độ điện áp 5V
- Tóm lại, K + trong mica di chuyển qua lớp Al2 (AlSi3O10) (OH) 2 dưới một điện trường, hình thành RRAM dựa trên mica. Các hướng tích lũy khác nhau của K + dưới điện trường dương hoặc âm góp phần tạo ra các cửa sổ RRAM đơn hoặc đôi trong mica. - Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng chỉ ra rằng độ lặp lại và tỷ lệ bật / tắt là hai tiêu chí quan trọng để đánh giá hiệu suất của RRAM. Họ nhận thấy rằng mica càng dày thì điện áp quét cần thiết để tạo thành RRAM càng cao. Để tránh sự khác biệt về hiệu suất điện giữa các mẫu, họ làm ra cấu trúc: graphite/mica/graphite và có được kết quả:
Hình i Hình j
- Hình i cho thấy thời gian lưu trữ của RRAM dựa trên graphit/mica/graphite sau khi tắt và đặt lại bằng điện áp xung. Một sự khác biệt rõ ràng về điện trở được quan sát thấy sau khi đo thiết bị trong hơn 104 s, với tỷ lệ bật / tắt hiện tại họ đo được khoảng 106, cho thấy sự di chuyển của K + có thể giữ lại trạng thái tích lũy trong một thời gian dài. - Hình j cho thấy dòng điện của thiết bị graphite/mica/graphite ở điện áp đọc 5 V sau mỗi xung. Thiết bị hiển thị được các trạng thái hiện tại riêng biệt trong suốt 200 chu kỳ. - Những kết quả này cho thấy RRAM làm từ mica có độ ổn định cao, độ lặp lại, khả năng tái tạo và khả năng lưu trữ đa trạng thái.
- Nhìn chung, bằng cách sử dụng mica làm lớp hoạt động RRAM, một chuỗi phi Markov có thể được thực hiện trong một thiết bị duy nhất. Chuỗi phi Markov đã được sử dụng trong các thuật toán phần mềm. Ví dụ, Dan Mikami đã ứng dụng dựa trên bộ nhớ để theo dõi tư thế khuôn mặt, các chuyển động đột ngột, và lưu trữ tổng quan trạng thái trong quá khứ của đối tượng và sử dụng nó để tạo ra một phân phối trạng thái sau đó một cách chính xác. Trong một nghiên cứu khác sử dụng mô hình phi Markov, Chew Peng Gan đã nghiên cứu xếp hạng tín dụng trong tương lai của các công ty theo xếp hạng của quý hiện tại và quý trước, đặc biệt hữu ích trong các lĩnh vực mà mô hình Markov truyền thống không thể giải quyết do giới hạn quy mô mẫu.
PHẦN III: KẾT LUẬN
Tiểu luận giới thiệu ngắn gọn về công nghệ thiết kế và chế tạo RRAM thông qua các bài báo khoa học nghiên cứu gần đây. Bài luận đã diễn giải về các vấn đề như vật liệu chuyển mạch, cơ cấu chuyển mạch RRAM, khả năng lưu trữ, chế độ đọc, ghi, tìm kiếm thông qua kiến trúc tích hợp CMOS... Qua đó khắc phục những điểm yếu mà công nghệ CMOS đang gặp phải như thời gian truy xuất, công suất tiêu thụ, tiết diện thiết kế...Cùng với ưu điểm vượt trội thì RRAM cũng gặp khó khăn như độ bền, nhiễu trong quá trình chuyển mạch... Rõ ràng trong tương lai không xa, RRAM sẽ có những tiến bộ đáng kể để có thể cạnh tranh với công nghệ CMOS trong sản xuất vi mạch.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Jagan Singh Meena, Simon Min Sze, Umesh Chand and Tseung-Yuen Tseng (2014). Overview of emerging nonvolatile memory technologies. Nanoscale Research Letters 9, 526. https://doi.org/10.1186/1556-276X-9-526
2. Furqan Zahoor, Tun Zainal Azni Zulkifli and Farooq Ahmad Khanday (2020). Resistive Random Access Memory (RRAM): an Overview of Materials, Switching Mechanism, Performance, Multilevel Cell (mlc) Storage, Modeling, and Applications.
Nanoscale Research Letters 15, 90. https://doi.org/10.1186/s11671-020-03299-9 3. Shashank Kumar Dubey, A. Reddy, Rashi Patel, Master Abz, Avireni Srinivasulu, Aminul Islam (2020). Architecture of resistive RAM with write driver. Solid State Electronics Letters, 2, 10-22. https://doi.org/10.1016/j.ssel.2020.01.001
4. Yuzong Chen, Lu Lu, Bongjin Kim and Tony Tae- Hyoung Kim (2021). A Reconfigurable 4T2R ReRAM Computing In-Memory Macro for Efficient Edge Applications. IEEE Open Journal of Circuits and Systems, 2, 210-222. doi: 10.1109/OJCAS.2020.3042550
5. Rongjie Zhang, Wenjun Chen, Changjiu Teng, Wugang Liao, Bilu Liu, Hui-Ming Cheng (2021). Realization of a non-markov chain in a single 2D mineral RRAM. Science Bulletin, 66, 1634–1640. https://doi.org/10.1016/j.scib.2021.04.025