NRAM

Nano-RAM (ka NRAM) on Nantero loodud firmasisene arvutimälu tehnoloogia, mille mehaaniline asetus on süsiniknanotorustikel, mis on asetatud kiibistikulaadsele alusele. Juba väike kogus nanotorustikke võimaldab kõrge sagedusega mälu.

Tehnoloogia
Esimese põlvkonna Nantero NRAM tehnoloogia põhineb kolme terminaliga pooljuhtseadmel, kus kolmandat terminali kasutatakse selleks, et vahetada mälu lahtrit mälu liikide vahel. Teise põlvkonna NRAM tehnoloogia põhineb kahe-terminaalsel mälulahtril. Kahe-terminali lahtril on eeliseid, nagu näiteks väiksem lahtri suurus ning võime passiveerida mälu lahter valmistamise ajal.

Nantero tehnoloogia põhineb tuntud efektil, et mitte-kootud riides olev süsiniku maatriksid nanotorudes (SNT's) võivad ületatud nanotorukesed olla kas puudutatavad või veidi eraldatud, sõltuvalt nende mehaanilisest liigist. Kui süsinikust nanotorud on üksteisele lähedal, satuvad nad Van der Waalsi jõu mõju alla. Iga NRAM "võrk" koosneb ühendatud võrgustiku süsiniknanotorustikust, mis asub kahe elektroodi vahel, nagu on näidatud joonisel 1. Süsiniknanotorukeste (SNT) kangas asub kahe metallist elektroodi vahel, mis on määratletud ja söövitatud fotolitograafia poolt ning vormistatud NRAM lahtrisse.

NRAM toimib nagu vastupidav mittelenduv muutmälu (RAM) ja seda saab paigutada kahes või enamas vastupidavas režiimis, sõltuvalt SNT kanga vastupidavuse staatusest. Kui SNT ei ole kontaktis, siis  vastupidavuse olek riides on kõrge ja esindab 0 (null) staatust. Kui SNT-ga luuakse kontakt, on vastupidavuse olek kangas madal ning esindatud on 1 staatus. NRAM saab tegutseda mäluna, sest need kaks vastupidavat staatust süsiniknanotorustikes on väga stabiilsed. 0-ndas või väljalülitatud (OFF) staatuses SNT (või osa neist) ei ole kontaktis ning jäävad eraldatud olekuks SNT jäikuse tõttu, mille  tulemuseks on suur vastupidavus või madala voolu mõõtmise staatus ülemise ja alumise elektroodi vahel. 1. või sisselülitatud (ON) olukorras SNT (või osa neist) on kontaktis ning Van der Waali jõu tõttu jäävad endiselt ühendatud olukorda, SNT tulemuseks on madal vastupidavus või kõrge voolu mõõtmise olek ülemise ja alumise elektroodi vahel.

Et vahetada NRAM'i lahtrite vahel, on ülemise ja alumise elektroodi vahel rakendatud väike pinge, mis on võimsam kui lugemispinge. Kui NRAM on 0. olekus, siis pingerakendus põhjustab elektrostaatilise külgetõmbe üksteise lähedal olevate süsiniknanotorustike vahel, põhjustades SET operatsiooni. Pärast rakendatud pinge eemaldamist jäävad süsiniknanotorukesed füüsilise adhesiooni (Van der Waalsi jõud) tõttu sisselülitatud (ON) või madala vastupidavuse olekusse umbes 5eV aktiveerimisenergiaga. Kui NRAM lahter on 1 staatuses, siis andes talle suurema pingelaengu kui lubatud, tekitab SNT foonon ergastust piisava energiaga, et eraldada SNT liitekoht. See on Foononi kaasahaaramisefektil ajendatud RESET operatsioon. SNT jääb väljalülitatud (OFF) või suure vastupidavuse staatusesse kõrge mehaanilise jäikuse tõttu, koos palju suurema aktiveerimisenergiaga kui 5 eV. Joonis 2 näitab mõlemat staatust individuaalsest paarist süsiniknanotorustikes, mis osalevad lülitamisoperatsioonis. Kõrge aktiveerimisenergia tõttu(> 5eV), mis on vajalik staatuste vahel vahetamiseks, näitab NRAM'i vahetamine suurepärast vastupidavust välistele häiretele, nagu näiteks kiirgus ja töötemperatuur, mida  üldjuhul saab kustutada või muuta tavalisi mälusid, nagu DRAM.

NRAM'id on valmistatud ühtlasest kihist süsiniknanotorukestest, mis on asetatud eeltöödeldud draiverite (nt transistorid) peale, nagu on näidatud joonisel 1.

Alumine elektrood NRAM lahtris on kontaktis alusel oleva vertikaalse elektrilise ühenduse tõttu, mis ühendab lahtri draiveritega.

Alumine elektrood võib olla tehtud alusel oleva vertikaalse elektrilise ühenduse osana või siis võib see olla tehtud samaaegselt NRAM lahtriga, siis kui lahter on fotolitograafiliselt määratletud ja söövitatud. Enne kui lahter on fotolitograafiliselt määratletud ja söövitatud, on pealmine elektrood hoiustatud metallfilmina süsiniknanotorukeste kihile, nii et pealmine metallist elektrood on struktureeritud ja söövitatud NRAM lahtri defineerimisajal. Pärast dielektrilist passiveerimist ja massiivi täitmist on ülemine metallelektrood avatud, kasutades protsessi nagu CMP (Chemical-mechanical planarization). Kui ülemine elektrood on avatud, on järgmine tase metallkaabli sisemisel ühendusel valmistatud, et lõpetada NRAM massiiv. Joonis 3 illustreerib ühte paljudest skeemmeetoditest, mida saab kasutada, et valida üht lahtrit kirjutamiseks ja lugemiseks. Kasutades kogu võrgustiku siseühendust, vormivad NRAM ja draiver mälu massiivi sarnaseks teiste mälude massiividega, nagu näiteks DRAM või välkmälu. Ühte lahtrit saab valida kohaldades sobivaid pingeid sõna real, bit-real ja select-real, häirimata teisi lahtreid massiivis.

Eelised
NRAM'l on teooria järgi DRAM'i sarnane tihedus. DRAM koosneb mitmest kondensaatorist, mis on sisuliselt kaks väikest metallplaati, mille vahel on õhuke isolaator. NRAM on samasugune, kus terminalid ja elektroodid on umbes sama suured kui plaadid DRAM's ning nanotorud nende vahel on nii palju väiksemad, et nad ei lisa midagi üleüldisele suurusele juurde. Siiski tundub, et on minimaalne suurus olemas, millega DRAM'i saab ehitada ning millest allpool ei ole lihtsalt vajalikku laengut plaatide peal salvestatud, et neid efektiivselt lugeda. NRAM näib olevat piiratud ainult praeguse kunsti piirangute tõttu litograafias. See tähendab, et NRAM suudab minna palju tihedamaks kui DRAM, mis tähendab, et see saab olema ka palju odavam. Lisaks erinevalt DRAM'st, NRAM ei nõua pidevalt värskendamist ning säilitab oma mälu isegi pärast seda, kui toide on eemaldatud. Seega võimsus, mida on vaja seadme mälu kirjutamiseks ja säilitamiseks, on palju madalam kui DRAM'l, mis peab laengut üles ehitama lahtri plaatidel. See tähendab, et NRAM mitte ainult ei võistle DRAM'ga kulude osas, vaid nõuab palju vähem energiat, et töötada ja selle tulemusena on ta ka palju kiirem, sest kirjutamist määrab suuresti kogu laengu vajaduslikkus. NRAM saab teoreetiliselt jõuda tulemuselt SRAM'i sarnaseks, mis on kiirem kui DRAM, kuid palju hõredam ja seega palju kallim.

Võrreldes teiste NVRAM ("Non-Volatile RAM") tehnoloogiatega, on NRAM'l veel eeliseid. Kõige levinum NVRAM tänapäeval on FLASH RAM (VÄLK RAM). Iga lahter välkmälus meenutab MOSFET transistorit (transistor, mida kasutatakse elektrooniliste signaalide võimendamiseks või vahetamiseks)kontrollväravaga, mis on kohandatud ujuvvärava poolt ning asetatud kontrollvärava ja ujuvvärava vahele. Ujuvvärav on ümbritsetud dielektrilise soojustusega, tavaliselt oksiidiga. Kuna ujuvvärav on elektriliselt isoleeritud ümbritsevast dielektrist, siis kõik elektronid, mis on asetatud ujuvvärava peale, jäävad sina lõksu, mis näitab kontrollväravat transistorite kanalist ja  muudab lävipinget transistoril. Kirjutades ja kontrollides laengu hulka, mis on asetatud ujuvväravale, kontrollib ujuvvärav juhtivuse staatust MOSFET VÄLK seadmel sõltuvalt valitud lahtri lävipingest.  Praegune vool on pandud läbi MOSFET kanali, et määrata kindlaks staatuse lahter moodustades kahendkoodi, kus 1 staatus (praegune vool) on siis, kui asjakohane kontrollvärava pinge on rakendatud ja 0 staatuse (mitte praegune vool) siis, kui kontrollvärava pinge on rakendatud.

Pärast peale kirjutamist, isolaator püüab elektronid ujuvväraval lõksu, lukustades selle 0-ndasse staatusesse. Kuid selleks, et seda bitti muuta, peab isolaator olema "ülelaetud", et kustutada kõik laengud, mis on sinna juba talletatud. See nõuab kõrgemat pinget, umbes 10 volti, palju rohkem kui aku suudab pakkuda. FLASH süsteemid sisaldavad "laengu pumpa", mis aeglaselt koguvad võimu ja vabastavad selle kõrgemal pingel. See protsess ei ole mitte ainult väga aeglane, vaid lagundab samuti isolaatoreid. Sel põhjusel on FLASH piiratud kasutusajaga, 10 000 ja 1 000 000 "kirjutamise" vahel enne, kui seade ei toimi enam tõhusalt.

NRAM potentsiaalselt väldib kõiki neid teemasi. Lugemis- ja kirjutamisprotsessid on mõlemad "madala energiasisaldusega" võrreldes Flashiga (või DRAMiga), mis tähendab, et NRAM võib põhjustada pikemat aku eluiga tavapärastes seadmetes. Samuti võib olla palju kiirem ainult kirjutada, mis tähendab, et seda võib kasutada asendades mõlemad. Kaasaegsed mobiiltelefonid sisaldavad sageli FLASH mälu telefoninumbrite hoidmiseks ja sellisteks asjadeks. DRAM'i kasutatakse kõrgemate tulemuslikkuse töömälude jaoks, sest FLASH on liiga aeglane ning lisaks pannakse mõned SRAM'id protsessorisse, sest DRAM on liiga aeglane ise enda kasutamiseks. NRAM'l võib kõiki neid asju asendada, mõned NRAM'id panna protsessori peale, et need töötaks protsessori vahemäluna ja rohkem teistes kiipides asendades nii DRAM'i ja FLASH'i.

Võrdlus teiste pakutud süsteemidega
NRAM on üks mitmetest uutest mälusüsteemidest, millest paljud väidavad end olevat "universaalsed", samamoodi nagu NRAM – asendades kõike FLASH'st DRAM'ni ja SRAM'ni.

Ainus alternatiivmälu, mis on valmis kaubanduslikuks kasutamiseks, on Ferroelektriline RAM (Fram või FeRAM). FeRAM lisab väikse koguse ferroelektrilist materjali muidu "normaalsesse" DRAM lahtrisse, välja staatus materjalis kodeerib biti mittepurustavas formaadis. FeRAM omab kõiki eeliseid, mis on NRAM'il, ehkki väikseima võimaliku lahtri suurus on tunduvalt suurem kui NRAM'il. FeRAM on hetkel kasutusel paljudes rakendustes, kus piiratud arv Flashis kirjutamisi on probleem. FeRAM'i lugemisoperatsioon on oma olemuselt destruktiivne, vajades hiljem taastamist omavat kirjutamisoperatsiooni.

Teised spekulatiivsemad mälu süsteemid sisaldavad MRAM'i ja PRAM'i. MRAM põhineb magnettunneli ristmiku võrgustikul. Võti MRAM'i potentsiaali on see, kuidas ta loeb mälu, kasutades tunneli magneetoresistiivset toimet, mis võimaldab tal lugeda mälu nii mitte-destruktiivselt ja väga vähese võimsusega. Kahjuks 1. põlvkonna MRAM, mis kasutas välja indutseeritud kirjutamist, jõudis limiteeritud suurusele, mis hoidis seda palju suuremana kui olemasolevad Flash seadmeid.

Vaata ka
 ROM
 PROM
 MRAM
 SDRAM

Välislingid
 everspin.com
 crocus-techology.com
 eetimes.com

Arvuti mälu