Спосіб запису та зчитування інформації у резистивній пам’яті з довільним доступом

Спосіб запису та зчитування інформації в резистивній пам'яті з довільним доступом, який полягає в тому, що для запису та зчитування інформації на мемристори - комірки резистивної пам'яті, подають електричні імпульси, який відрізняється тим, що подають імпульси струму від джерела струму для запису інформації на мемристори комірки резистивної пам'яті, а для зчитування інформації з мемристора - комірки резистивної пам'яті, подають два імпульси струму різної полярності, причому площу імпульса струму кожної полярності вибирають меншою площі імпульса струму запису, а збережену в мемристорі - комірці резистивної пам'яті інформацію визначають за напругою на мемристорі - комірці. Винахід належить до обчислювальної техніки і може бути використана для створення високоефективної енергонезалежної резистивної пам'яті з довільним доступом. Відомий спосіб запису та зчитування інформації в резистивній пам'яті з довільним доступом, який полягає у тому, що на мемрістори - комірки резистивної пам'яті подають постійну напругу, меншу за напругу, яка призводить до зміни диференціального опору мемрістору - комірки резистивної пам'яті з довільним доступом, а відомості про інформацію, яка зберігається у мемрісторі - комірці резистивної пам'яті з довільним доступом, одержують за величиною постійного струму через мемрістор - комірку резистивної пам'яті з довільним доступом (див. "Electrode structure having at least two oxide layers and non-volatile memory device having the same", Патент США №2007/0200158A1 від 30.08.2007p.). Недоліками цього відомого способу є недостатня кількість зчитувань інформації без перезапису, підвищене енергоспоживання при зчитуванні та недостатній температурний діапазон працездатності резистивної пам'яті. Найбільш близьким за технічною суттю до запропонованого нами способу є спосіб запису та зчитування інформації в резистивній пам'яті з довільним доступом, що полягає у тому, що на мемрістори - комірки резистивної пам'яті з довільним доступом через адресні шини подають імпульс постійної напруги, яка менше за напругу, що призводить до зміни диференціального опору мемрістору - комірки резистивної пам'яті з довільним доступом, а відомості про збережену в мемрісторі комірці резистивної пам'яті з довільним доступом інформацію одержують за величиною постійного струму через мемрістор - комірку резистивної пам'яті з довільним доступом (див. Akihito Sawa "Resistive switching in transition metal oxides", Materials Today, vol. 11, p. 28-36, 2008). Недоліками цього відомого способу є також недостатня кількість циклів зчитування збереженої в мемрісторі - комірці резистивної пам'яті з довільним доступом інформації без її перезапису, підвищене енергоспоживання при зчитуванні та недо (19) UA (11) 91405 (13) C2 (21) a200811059 (22) 10.09.2008 (24) 26.07.2010 (46) 26.07.2010, Бюл.№ 14, 2010 р. (72) БІЛОГОЛОВСЬКИЙ МИХАЙЛО ОЛЕКСАНДРОВИЧ, МОСКАЛЕНКО МИХАЙЛО АНДРІЙОВИЧ, ПЕРМЯКОВ ВІТАЛІЙ ВАСИЛЬОВИЧ (73) БІЛОГОЛОВСЬКИЙ МИХАЙЛО ОЛЕКСАНДРОВИЧ, МОСКАЛЕНКО МИХАЙЛО АНДРІЙОВИЧ, ПЕРМЯКОВ ВІТАЛІЙ ВАСИЛЬОВИЧ (56) Akihito Sawa “Resistive switching in transition metal oxides”// Materials Today, 06.2008, vol. 11, pp. 28-36. M.A. Belogolovskii, Yu.F. Revenko, A.Yu.Gerasimenko and all “Inelastic electron tunneling across magnetically active interfaces in cuprate and manganite heterostructures modified by electromigration processes”// Физика низких температур, 2002, том 28, № 6, СС. 553-557. 3 статній температурний діапазон працездатності резистивної пам'яті з довільним доступом при такому способі запису та зчитування інформації. Пояснюється це можливістю перекручування інформації, збереженої в мемрісторах - комірках резистивної пам'яті з довільним доступом, при багаторазовому її зчитуванні через те, що при використанні цього способу зчитування через мемрістор - комірку резистивної пам'яті з довільним доступом пропускають постійний струм, який змінює розміри області з кисневими вакансіями, а отже, і величину опору мемрістора - комірки резистивної пам'яті з довільним доступом, яка і є інформативним параметром (див. М. Grajcar, A. Plecenik, S. Benacka, V.M. Svistunov, Y. Revenko, "Time evolution of point contact resistances of high-Tc superconductors", Physica C: Superconductivity, vol. 218, p. 82-86, 1993). Причиною ж недостатнього температурного діапазону працездатності мемрістори - комірки при цьому відомому способі запису та зчитування інформації є наявність залежності напруги, яку необхідно подати на мемрістор - комірку резистивної пам'яті з довільним доступом для запису в нього інформації, від температури (див. М.А. Belogolovskii, Yu.F. Revenko, A.Yu. Gerasimenko, V.M. Svistunov, E. Hatta, G. Plitnik, V.E. Shaternik, E.M. Rudenko "Inelastic electron tunneling across magnetically active interfaces in cuprate and manganite heterostructures modified by electromigration processes", Физика низких температур, том 28, с. 553-557, 2002). Задачею заявленого способу запису та зчитування інформації у резистивній пам'яті з довільним доступом є збільшення допустимої кількості циклів зчитування без перезапису інформації, зменшення енергоспоживання і розширення температурного діапазону роботи резистивної пам'яті з довільним доступом. Для досягнення поставленої задачі в способі запису та зчитування інформації в резистивній пам'яті з довільним доступом, який полягає в тому, що для запису та зчитування інформації на мемрістори - комірки резистивної пам'яті подають електричні імпульси, на мемрістори - комірки резистивної пам'яті згідно винаходу подають імпульси струму від джерела струму, а збережену в комірці - мемрісторі резистивної пам'яті з довільним доступом інформацію визначають за напругою на мемрісторі - комірці резистивної пам'яті з довільним доступом. Крім того, для зчитування інформації на мемрістори - комірки резистивної пам'яті з довільним доступом подають два імпульси струму різної полярності від джерел струму різної полярності, причому площу імпульсів струму кожної полярності вибирають меншою площі імпульсів струму, які використовувались для запису даної інформації. Реалізацію запропонованого способу зчитування інформації, збереженої в мемрісторах - комірках резистивної пам'яті з довільним доступом, розглянемо на прикладі роботи відомої резистивної пам'яті з довільним доступом, що містить адресні шини, з'єднані з мемрісторами - комірками резистивної пам'яті з довільним доступом та через ключі з джерелами напруги (див. Akihito Sawa 91405 4 "Resistive switching in transition metal oxides", Materials Today, vol. 11, p. 28-36, 2008). На Фіг.1 наведена схема резистивної пам'яті з довільним доступом, що реалізує запропонований спосіб запису та зчитування інформації, на Фіг.2 вольт-амперні характеристики мемрістора - комірки резистивної пам'яті з довільним доступом при різній температурі. Наведена на Фіг.1 резистивна пам'ять із довільним доступом містить першу 1 і другу 2 адресні шини, з'єднані з мемрісторами - комірками 3 і, відповідно, через перший 4, другий 5 і третій 6 ключі з виходами першого 7, другого 8 і третього 9 джерел струму, причому другий 8 і третій 9 джерела струму мають різну полярність. При використанні запропонованого способу, як і при використанні відомого, запис інформації («0» або «1») в мемрістор - комірку резистивної пам'яті з довільним доступом виконується шляхом подачі на неї електричного імпульсу відповідної полярності, тривалістю, достатньою для переведення мемрістора в стан з відповідним опором. За пропонованим способом запису та зчитування інформації мемрістор - комірку резистивної пам'яті з довільним доступом 3 через відповідний перший ключ 4 і першу адресну шину 1 підключають до першого 7 джерела струму, який генерує струм запису інформації Ізап(t) на час запису інформації Тзап, достатній для переведення мемрістора - комірки резистивної пам'яті з довільним доступом у стан з відповідним опором у результаті проходження через нього необхідного заряду Q, який визначається площею імпульсу струму Тзап Q Ізап ( t )dt . 0 Для зчитування інформації з мемрістору - комірки 3 резистивної пам'яті з довільним доступом через відповідний другий ключ 5 і першу адресну шину 1 підключають до другого 8 джерела струму, який генерує струм зчитування інформації Iзчит ( t ) , а потім - через відповідний третій ключ 6 і другу адресну шину 3 - до третього 9 джерела струму, який генерує струм підтримання інформації Iпідтр ( t ) полярності, протилежній полярності другого 8 джерела струму, а збережену в мемрісторі - комірці резистивної пам'яті з довільним доступом інформацію визначають за величиною напруги на мемрісторі 3 - комірці резистивної пам'яті з довільним доступом на початку підключення до другого 8 джерела струму, тобто на передньому фронті імпульсу зчитування. Використання запропонованого способу зчитування інформації, збереженої в мемрісторах комірках резистивної пам'яті з довільним доступом, дозволяє збільшити кількість допустимих зчитувань інформації без її перезапису у порівнянні з відомим способом, прийнятим як прототип. Робота мемрістора - комірки резистивної пам'яті з довільним доступом базується на міграції вакансій кисню під дією електричного струму з області оксиду перехідного металу, де концентрація вакансій велика, до областей з малою концентрацією вакансій. Оскільки локальна електропровідність оксидів перехідних металів - це нелінійна 5 функція концентрації кисневих вакансій (у бінарних оксидів, наприклад, ТіО2, електропровідність зростає із збільшенням концентрації вакансій кисню, а у чотирьохкомпонентних з'єднаннях, наприклад, YBa2Cu3O7, навпаки, зменшується), то сумарна електропровідність всієї плівки оксиду перехідного металу, яка становить активну область мемрістора - комірки резистивної пам'яті з довільним доступом, змінюється під впливом електричного струму. Після вимикання струму вакансії кисню залишаються на своїх місцях, тобто мемрістор «пам'ятає» величину та знак електричного заряду, який пройшов через нього (див. D.B. Strukov, G.S. Snider, D.R. Stewart, R.S. Williams "The missing memristor found", Nature, vol. 453, p. 80-84, 2008). Для повернення мемрістора - комірки резистивної пам'яті з довільним доступом у початковий стан потрібно, щоб через нього пройшов той же заряд, але протилежного знаку. Відзначимо, що для забезпечення високої швидкодії резистивної пам'яті товщина активної області оксиду d повинна бути наскільки можливо меншою. Дійсно, зсув границі розділу областей малої та великої концентрації кисневих вакансій w під дією імпульсу струму І та тривалістю t3 дорівнює w= I t3RH/d, де - рухливість кисневих вакансій, RH - опір мемрістора в стані з низькою резистивністю. Перемикання в стан високої резистивності виникає при w=d, тоді t3=d2/ IRH. Отже, для скорочення тривалості імпульсу t3 до декількох наносекунд необхідно зменшити товщину d. -8 Для типових значень t3=10 с, 1=0.01A, RH=1Ом і -6 2 -1 -1 =10 м с В маємо d=10нм. Використання запропонованого способу дозволяє зменшити енергоспоживання та розширити температурний діапазон роботи мемрістора. З наведених на Фіг.2 вольт-амперних характеристиках мемрістора при різних температурах (див. М.А. Belogolovskii, Yu.F. Revenko, A.Yu. Gerasimenko, V.M. Svistunov, E. Hatta, G. Plitnik, V.E. Shaternik, E.M. Rudenko "Inelastic electron tunneling across magnetically active interfaces in cuprate and manganite heterostructures modified by electromigration processes", Физика низких температур, том 28, с. 553-557, 2002) добре видно, що зниження температури мемрістора (вольт-амперна характеристика 2 відповідає меншій температурі мемрістора в порівнянні з вольт-амперною характеристикою 1) приводить до збільшення напруги, при якій можлива зміна стану мемрістора. Тому використання найбільш близького за технічною сутністю способу може привести до того, що при зменшенні температури мемрістора раніше обрана напруга імпульсу запису недостатня для зміни стану мемрістора. На тих же вольт-амперних характеристиках добре видно, що зміна температури практично не приводить до зміни струму, необхідного для зміни стану мемрістора. Тому використання пропонованого способу дозволяє розширити температурний діапазон роботи резистивної пам'яті на мемрісторах. З тих же вольт-амперних характеристик видно, що використання мемрістору можливе як у зоні І квадранта наведеної на Фіг.2 вольт-амперної характеристики, так і у зоні III квадранта цієї характеристики. 91405 6 Використання запропонованого способу дозволяє також зменшити енергоспоживання резистивної пам'яті. На тих же вольт-амперних характеристиках добре видно, що при тому же розмаху вихідних сигналів (різниці між відповідними напругами 3 і 4 та різниці між відповідними струмами 5 і 6) використання найбільш близького за технічною сутністю способу для зчитування постійної напруги Uзч (пряма 4) приводить при зчитуванні стану з малим опором до набагато більшого струму Ізч через мемрістор (пряма 5), ніж при використанні запропонованого нами способу (пряма 6), Як видно з Фіг.2, максимальна потужність енергоспоживання (а, отже, тепловиділення) при зчитуванні інформації в прототипі становить Uзч/Rн, а при використанні пропонованого способу - Iзч2Rв=Uзч2/Rв (Rв - опір мемрістора в стані з високою резистивністю, його типова величина 100Ом). Таким чином, енергоспоживання при використанні запропонованого способу в Rв/Rн разів менше, ніж у прототипі. При типових значеннях Rв I Rн це відношення становить 100 разів. Використання запропонованого нами способу дозволяє збільшити кількість допустимих без перезапису зчитувань. Припустимо, що імпульс зчитування має полярність, яка збігається з полярністю імпульсу запису в мемрістор - комірку стану з низьким сумарним опором, а мемрістор перебуває в стані високого опору (при використанні імпульсу зчитування іншої полярності описувана нижче ситуація буде виникати при зчитуванні стану мемрістора з високим сумарним опором). Зчитування інформації про стан резистора полягає у визначенні його опору шляхом пропущення електричного струму, а протікання електричного струму неминуче призводить до перерозподілу концентрації кисневих вакансій. У розглянутому випадку перерозподіл вакансій виконується імпульсом, що збігається за полярністю з імпульсом запису стану мемрістора з низьким опором, а мемрістор перебуває в стані з високим опором. Тоді протікання через мемрістор струму імпульсу зчитування призводить до такого перерозподілу кисневих вакансій в активній зоні оксидного шару, що зменшує високий опір мемрістора (див. D.B. Strukov, G.S. Snider, D.R. Stewart, R.S. Williams "The missing memristor found", Nature, vol. 453, p. 80-84, 2008) на величину R=Rв I tcRн/d2, де Rв опір мемрістора в стані з високою резистивністю (його типова величина 100Ом). При R=Rв-Rн відбудеться перехід мемрістора в стан низької резистивності, тобто повна втрата інформації, записаної в мемристорах - комірках резистивної пам'яті з довільним доступом. Використовуючи наведені вище оцінки для величин Rв, Rн, і d, при тривалості імпульсу зчитування tc=10-9с і його амплітуді І=10-3А знаходимо, що це відбудеться вже після 100 операцій зчитування. Збільшення ж товщини d активної зони оксиду для збільшення кількості допустимих без перезапису зчитувань неприйнятне через відповідне зменшення швидкодії резистивної пам'яті. При використанні запропонованого способу після імпульсу зчитування на мемрістор - комірку резистивної пам'яті з довільним доступом подають 7 91405 компенсаційний імпульс - імпульс, площа якого дорівнює або менше площі імпульсу зчитування, а полярність протилежна полярності імпульсу зчитування. Протікання через мемрістор струму від компенсаційного імпульсу відновлює частково порушений імпульсом зчитування розподіл кисневих вакансій. Завдяки цьому навіть багаторазове зчитування стану мемрістора - резистивної пам'яті з довільним доступом не призводить до перекру Комп’ютерна верстка М. Ломалова 8 чування збереженої в мемристорі - комірці резистивної пам'яті з довільним доступом інформації, а використання запропонованого способу зчитування дозволяє збільшити кількість допустимих зчитувань інформації в мемрісторі - комірці резистивної пам'яті з довільним доступом без її перезапису, причому при збереженні швидкодії пам'яті. Запропонований спосіб може бути використаний для створення високоефективної енергонезалежної резистивної пам'яті з довільним доступом. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601