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MRAM vs ReRAM vs PCM vs FeRAM : comparaison des mémoires émergentes

Ces quatre mémoires non volatiles émergentes cherchent toutes à combiner la vitesse de la RAM et la conservation des données sans alimentation. Elles diffèrent par ce qui stocke le bit : l'aimantation d'une couche mince (MRAM), la résistance d'un filament dans un oxyde (ReRAM), l'état cristallin ou amorphe d'un matériau (PCM) ou la polarisation d'un ferroélectrique (FeRAM). Aucune n'a encore remplacé largement la DRAM ou la flash, mais chacune a trouvé sa niche.

CritèreMRAMReRAMPCMFeRAM
Ce qui stocke le bitDirection d'aimantation d'une couche libre dans une jonction tunnel magnétique, lue comme une résistance faible ou élevéeRésistance d'un filament conducteur qui se forme et se rompt dans une couche d'oxyde métalliqueÉtat cristallin (faible résistance) ou amorphe (résistance élevée) d'un matériau à changement de phaseDirection de polarisation d'un matériau ferroélectrique dans un condensateur
Méthode d'écritureCourant à couple de transfert de spin (STT) ou à couple spin-orbite (SOT)Impulsions de tension (SET et RESET)Impulsions thermiques : fusion et trempe pour le rendre amorphe, recuit pour le cristalliserUn champ électrique inverse la polarisation
LectureMesure de résistanceMesure de résistanceMesure de résistanceType à condensateur : destructive, les données doivent donc être réécrites après la lecture
VitesseRapide : écritures en quelques ns à quelques dizaines de nsRapide à modérée (de quelques dizaines de ns à quelques microsecondes)Lectures rapides ; écritures plus lentes et plus gourmandes en énergieRapide, quelques dizaines de ns
EnduranceTrès élevée (plus de 10¹⁰ cycles)Modérée à élevée, selon la conceptionModérée (environ 10⁶ à 10⁹ cycles)Très élevée pour le type à condensateur
DensitéModérée : cellules plus grandes, difficiles à empilerPotentiel élevé : cellules simples, matrices crossbarPotentiel élevéPlus faible : le condensateur est difficile à miniaturiser
Principaux défisÉnergie d'écriture, taille de cellule et complexité du procédéVariabilité entre cellules, étape initiale de formingCourant d'écriture élevé, dérive de la résistance dans le tempsMiniaturisation du condensateur, intégration des matériaux ferroélectriques
Usages typiquesMémoire embarquée dans les microcontrôleurs et les équipements automobiles, enregistrement de donnéesMémoire non volatile embarquée, calcul en mémoire pour l'IAStorage-class memory, mémoire embarquéePetites mémoires basse consommation dans les cartes à puce, les compteurs et les objets IoT

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

MRAM
Lorsqu'il faut une mémoire non volatile avec une rétention comparable à la flash, mais une vitesse comparable à la DRAM et une endurance quasi illimitée, par exemple en mémoire embarquée ou pour un enregistrement fréquent.
ReRAM
Lorsqu'on veut une cellule simple, dense et basse tension, y compris pour le calcul en mémoire qui effectue des multiplications-accumulations dans la matrice mémoire.
PCM
Lorsqu'on veut une mémoire plus dense, intermédiaire entre la DRAM et la flash, et qu'on accepte une énergie d'écriture plus élevée.
FeRAM
Lorsqu'il faut une petite quantité de mémoire très basse consommation, rapide et très endurante, comme dans les cartes à puce et les capteurs.

Questions fréquentes

Quelle mémoire émergente est la plus proche de remplacer la DRAM ou la SRAM ?

La MRAM s'en approche le plus en vitesse et en endurance, avec des écritures en quelques nanosecondes à quelques dizaines de nanosecondes et plus de 10¹⁰ cycles. Mais ses cellules plus grandes la laissent loin derrière la DRAM et la flash en capacité et en coût par bit : elle est donc utilisée comme mémoire embarquée.

Comment la mémoire à changement de phase stocke-t-elle les données ?

Elle chauffe un matériau pour le faire passer d'un état cristallin à faible résistance à un état amorphe à résistance élevée, et inversement. La résistance est ensuite lue comme un 0 ou un 1.

Pourquoi la lecture de la FeRAM à condensateur est-elle destructive ?

La lecture inverse la polarisation pour la détecter, ce qui efface la valeur stockée : les données doivent donc être réécrites après chaque lecture.

Qu'est-ce que le calcul en mémoire avec la ReRAM ?

Une matrice ReRAM peut effectuer des opérations de multiplication-accumulation directement dans la mémoire en utilisant la résistance de chaque cellule comme poids. Cela convient aux charges de travail d'IA et évite de déplacer les données entre la mémoire et le processeur.

Vérifier vos connaissances

Quel est le principe de mémorisation de la MRAM ?

  1. ALa différence de résistance selon l'orientation de l'aimantation d'une jonction tunnel magnétique (MTJ)
  2. BLa différence de résistance entre l'état cristallin et l'état amorphe d'un matériau chalcogénure
  3. CLa présence ou l'absence de charge stockée dans un condensateur
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Réponse : A. La différence de résistance selon l'orientation de l'aimantation d'une jonction tunnel magnétique (MTJ)

La MRAM utilise une jonction tunnel magnétique (MTJ), dans laquelle une couche isolante d'environ 1 nm d'épaisseur est prise en sandwich entre deux couches magnétiques. Grâce à l'effet de magnétorésistance tunnel, la résistance est faible lorsque les aimantations sont parallèles et élevée lorsqu'elles sont antiparallèles, ce qui permet de distinguer 0 et 1 ; l'aimantation étant conservée sans alimentation, la mémoire est non volatile. Ses atouts sont une endurance quasi illimitée et une grande rapidité. La différence de résistance entre cristal et amorphe est exploitée par la mémoire à changement de phase, et la charge électrique par la DRAM.

Quel est le principe de mémorisation de la mémoire à changement de phase (PCM) ?

  1. ALa différence d'orientation de l'aimantation d'une couche magnétique
  2. BLa différence de résistance entre l'état cristallin et l'état amorphe d'un matériau chalcogénure
  3. CL'orientation de la polarisation d'un ferroélectrique
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Réponse : B. La différence de résistance entre l'état cristallin et l'état amorphe d'un matériau chalcogénure

La PCM chauffe puis refroidit rapidement un matériau chalcogénure tel que le GeSbTe par effet Joule du courant, afin de basculer entre un état cristallin de faible résistance et un état amorphe de forte résistance. L'écart de résistance atteint 2 à 3 ordres de grandeur, ce qui permet aussi de créer des valeurs intermédiaires pour le stockage multiniveau. Le même matériau, dont la réflectivité optique diffère entre les phases cristalline et amorphe, a également été utilisé dans les DVD et Blu-ray réinscriptibles. Le courant d'écriture élevé constitue un problème.

Quelle propriété la FeRAM (mémoire ferroélectrique) exploite-t-elle pour mémoriser l'information ?

  1. ALa formation et la disparition de filaments conducteurs dans un oxyde
  2. BL'effet magnétorésistif
  3. CL'orientation de la polarisation spontanée (polarisation rémanente) d'un ferroélectrique
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Réponse : C. L'orientation de la polarisation spontanée (polarisation rémanente) d'un ferroélectrique

La FeRAM exploite la propriété des ferroélectriques de conserver une polarisation après suppression de la tension (polarisation rémanente), et mémorise 0 et 1 selon l'orientation de cette polarisation. L'écriture consistant simplement à inverser la polarisation, aucune haute tension n'est nécessaire contrairement à la flash ; elle est rapide (quelques dizaines de ns), peu consommatrice et offre une endurance élevée, supérieure à 10¹² cycles. Le PZT (titanate-zirconate de plomb) est le matériau traditionnellement utilisé. Les filaments concernent la ReRAM, la magnétorésistance la MRAM.

  1. Quel est le principe de mémorisation de la ReRAM (mémoire résistive) ?
  2. Quel est l'avantage général de la MRAM par rapport à la mémoire flash ?
  3. Quelle est la principale application attendue du calcul en mémoire (in-memory computing) à base de mémoires résistives ?

Questions d'entraînement sur Mémoires émergentes

Termes clés expliqués

MRAM
Mémoire non volatile qui stocke l'information grâce à la différence de résistance selon l'orientation de l'aimantation d'une jonction tunnel magnétique (MTJ).
PCM (mémoire à changement de phase)
Mémoire non volatile qui stocke l'information grâce à la différence entre l'état cristallin (faible résistance) et l'état amorphe (forte résistance) d'un matériau chalcogénure.
ReRAM (mémoire résistive)
Mémoire non volatile qui crée ou rompt par une tension un chemin conducteur dans un oxyde, et stocke l'information par la différence de résistance.
FeRAM (mémoire ferroélectrique)
Mémoire non volatile qui stocke l'information par le sens de polarisation d'un matériau ferroélectrique. Écriture rapide et faible consommation ; utilisée notamment dans les cartes à puce.
Jonction tunnel magnétique (MTJ)
Structure où une fine couche isolante est prise entre deux couches magnétiques. La résistance est faible quand les aimantations sont parallèles et élevée quand elles sont opposées. Élément de mémorisation de la MRAM.

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