Nederlands
Menu

MRAM, ReRAM, PCM en FeRAM: opkomende geheugens vergeleken

Deze vier opkomende niet-vluchtige geheugens streven er allemaal naar de snelheid van RAM te combineren met het behoud van data zonder voeding. Ze verschillen in waarmee een bit wordt opgeslagen: de magnetisatie van een dunne laag (MRAM), de weerstand van een filament in een oxide (ReRAM), de kristallijne of amorfe toestand van een materiaal (PCM) of de polarisatie van een ferro-elektrisch materiaal (FeRAM). Geen ervan heeft DRAM of flash al breed vervangen, maar elk heeft zijn eigen sterke toepassingsgebied gevonden.

KenmerkMRAMReRAMPCMFeRAM
Waarmee de bit wordt opgeslagenDe magnetisatierichting van de vrije laag van een magnetische tunnelovergang. Wordt uitgelezen als lage of hoge weerstandDe weerstand van een geleidend filament dat wordt gevormd en onderbroken in een metaaloxidelaagDe kristallijne (lage weerstand) of amorfe (hoge weerstand) toestand van een faseveranderend materiaalDe polarisatierichting van een ferro-elektrisch materiaal in een condensator
SchrijfmethodeStroom voor spin-transfer torque (STT) of spin-orbit torque (SOT)Spanningspulsen (SET en RESET)Warmtepulsen. Smelten en snel afkoelen geeft de amorfe toestand, verhitten laat het kristalliserenDe polarisatierichting wordt omgeklapt met een elektrisch veld
LezenWeerstandsdetectieWeerstandsdetectieWeerstandsdetectieBij het condensatortype destructief lezen. De data wordt na het lezen teruggeschreven
SnelheidSnel. Schrijven duurt enkele tot enkele tientallen nsSnel tot gemiddeld (enkele tientallen ns tot microseconden)Lezen is snel. Schrijven is langzaam en kost meer energieSnel. Enkele tientallen ns
SchrijfduurzaamheidZeer lang (meer dan 10¹⁰ cycli)Gemiddeld tot lang, afhankelijk van het ontwerpGemiddeld (ruwweg 10⁶ tot 10⁹ cycli)Zeer lang bij het condensatortype
IntegratiedichtheidGemiddeld. De cel is groot en moeilijk te stapelenHoge dichtheid mogelijk. De cel is eenvoudig en past in een crossbar-arrayHoge dichtheid mogelijkLager. De condensator is moeilijk te verkleinen
Belangrijkste uitdagingenSchrijfenergie, celgrootte, procescomplexiteitVariatie tussen cellen, de eerste formingstapGrote schrijfstroom, drift van de weerstand in de tijdVerkleining van de condensator, integratie van ferro-elektrische materialen
Belangrijkste toepassingenEmbedded geheugen voor microcontrollers en automotive, dataloggingEmbedded niet-vluchtig geheugen, in-memory computing voor AIStorage class memory, embedded geheugenKleine geheugens met laag vermogen in smartcards, meters en IoT-apparaten

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

MRAM
Wanneer een niet-vluchtig geheugen nodig is dat data bewaart zoals flash, snel is als DRAM en vrijwel onbeperkt kan worden herschreven. Embedded geheugen en veelvuldig loggen.
ReRAM
Wanneer een eenvoudige, dichte cel met lage spanning gewenst is. Ook geschikt voor in-memory computing, waarbij vermenigvuldig-en-optelbewerkingen in de geheugenarray worden uitgevoerd.
PCM
Wanneer een dichter geheugen tussen DRAM en flash gewenst is en een hogere schrijfenergie acceptabel is.
FeRAM
Wanneer een klein geheugen met zeer laag vermogensverbruik, hoge snelheid en lange schrijfduurzaamheid nodig is. Smartcards, sensoren.

Veelgestelde vragen

Welk opkomend geheugen komt het dichtst bij een vervanging van DRAM of SRAM?

MRAM komt qua snelheid en schrijfduurzaamheid het dichtst in de buurt, met schrijftijden van enkele tot enkele tientallen ns en meer dan 10¹⁰ herschrijfcycli. De cel is echter groot, waardoor capaciteit en kosten per bit veel slechter zijn dan bij DRAM of flash, en het wordt als embedded geheugen gebruikt.

Hoe slaat faseveranderingsgeheugen data op?

Het materiaal wordt verhit om te schakelen tussen een kristallijne toestand (lage weerstand) en een amorfe toestand (hoge weerstand). Die weerstand wordt uitgelezen als 0 of 1.

Waarom is het lezen van een FeRAM met condensator destructief?

Bij het lezen wordt de polarisatie omgeklapt om hem te detecteren, waardoor de opgeslagen waarde verloren gaat. Na elke leesbewerking moet de data worden teruggeschreven.

Wat is in-memory computing met ReRAM?

Een ReRAM-array gebruikt de weerstand van elke cel als gewicht en kan vermenigvuldig-en-optelbewerkingen rechtstreeks in het geheugen uitvoeren. Dit past bij AI-verwerking en voorkomt dat data tussen geheugen en processor wordt verplaatst.

Test uw begrip

Welke uitspraak over het opslagprincipe van MRAM is juist?

  1. AHet weerstandsverschil door de magnetisatierichting van een magnetische tunneljunctie (MTJ)
  2. BHet weerstandsverschil tussen de kristallijne en de amorfe toestand van een chalcogenidemateriaal
  3. CDe aan- of afwezigheid van lading op een condensator
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. Het weerstandsverschil door de magnetisatierichting van een magnetische tunneljunctie (MTJ)

MRAM gebruikt een magnetische tunneljunctie (MTJ), waarbij twee magnetische lagen een isolerende laag van circa 1 nm dik insluiten. Door het tunnelmagnetoweerstandseffect is de weerstand laag bij parallelle en hoog bij antiparallelle magnetisatie, waarmee 0 en 1 worden onderscheiden. De magnetisatie blijft zonder voeding behouden, dus het geheugen is niet-vluchtig. Sterke punten zijn de vrijwel onbeperkte schrijfendurance en de hoge snelheid. Het weerstandsverschil tussen kristallijn en amorf wordt gebruikt in faseveranderingsgeheugen, en lading in DRAM.

Welke uitspraak over het opslagprincipe van faseveranderingsgeheugen (PCM) is juist?

  1. AHet verschil in magnetisatierichting van een magnetische laag
  2. BHet weerstandsverschil tussen de kristallijne en de amorfe toestand van een chalcogenidemateriaal
  3. CDe polarisatierichting van een ferro-elektricum
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Het weerstandsverschil tussen de kristallijne en de amorfe toestand van een chalcogenidemateriaal

PCM verhit chalcogenidematerialen zoals GeSbTe met de Joule-warmte van een stroom en koelt ze snel af, waardoor tussen een kristallijne toestand met lage weerstand en een amorfe toestand met hoge weerstand wordt geschakeld. Het weerstandsverschil bedraagt 2 tot 3 ordes van grootte en met tussenwaarden is multilevelopslag mogelijk. Hetzelfde materiaal wordt ook gebruikt in herschrijfbare dvd's en Blu-ray-schijven, omdat de reflectie van licht verschilt tussen de kristallijne en de amorfe fase. Een uitdaging is de grote stroom die voor het schrijven nodig is.

Welke eigenschap gebruikt FeRAM (ferro-elektrisch geheugen) om informatie op te slaan?

  1. AVorming en verdwijning van een geleidend filament in een oxide
  2. BHet magnetoweerstandseffect
  3. CDe richting van de spontane polarisatie (remanente polarisatie) van een ferro-elektricum
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. De richting van de spontane polarisatie (remanente polarisatie) van een ferro-elektricum

FeRAM gebruikt de eigenschap van ferro-elektrica dat de polarisatie ook na het wegnemen van de spanning blijft bestaan (remanente polarisatie) en slaat 0 en 1 op via de polarisatierichting. Schrijven komt neer op het omkeren van de polarisatie, waardoor geen hoge spanning zoals bij flash nodig is. Kenmerken zijn een hoge snelheid (enkele tientallen ns), een laag vermogensverbruik en een hoge endurance van 10¹² cycli of meer. Van oudsher wordt PZT (loodzirkonaattitanaat) gebruikt. Filamenten worden gebruikt in ReRAM en magnetoweerstand in MRAM.

  1. Welke uitspraak over het opslagprincipe van ReRAM (resistief geheugen) is juist?
  2. Welke uitspraak over een algemeen voordeel van MRAM ten opzichte van flashgeheugen is juist?
  3. Wat is de belangrijkste verwachte toepassing van in-memory computing met bijvoorbeeld resistief geheugen?

Oefenvragen over Opkomende geheugentechnologieën

Belangrijke termen uitgelegd

MRAM
Niet-vluchtig geheugen dat informatie opslaat via het weerstandsverschil dat afhangt van de magnetisatierichting van een magnetische tunnelovergang (MTJ).
PCM (phase-change memory)
Niet-vluchtig geheugen dat informatie opslaat via het verschil tussen de kristallijne toestand (lage weerstand) en de amorfe toestand (hoge weerstand) van chalcogenidematerialen.
ReRAM (resistief geheugen)
Niet-vluchtig geheugen dat informatie opslaat via het weerstandsverschil dat ontstaat doordat een spanning een geleidend pad in bijvoorbeeld een oxide vormt of verbreekt.
FeRAM (ferro-elektrisch geheugen)
Niet-vluchtig geheugen dat informatie opslaat in de polarisatierichting van een ferro-elektrisch materiaal. Schrijft snel en verbruikt weinig stroom; wordt gebruikt in onder meer chipkaarten.
Magnetische tunnelovergang (MTJ)
Structuur waarin een dunne isolatielaag tussen twee magnetische lagen ligt. Zijn de magnetisaties van beide lagen parallel, dan is de weerstand laag; antiparallel is deze hoog. Het opslagelement van MRAM.

Verwante vergelijkingen