La nano-RAM es una tecnología de memoria informática patentada por la empresa Nantero . Se trata de un tipo de memoria de acceso aleatorio no volátil basada en la posición de nanotubos de carbono depositados sobre un sustrato similar a un chip. En teoría, el pequeño tamaño de los nanotubos permite memorias de muy alta densidad. Nantero también la denomina NRAM.
La primera generación de la tecnología NRAM de Nantero se basaba en un dispositivo semiconductor de tres terminales , en el que se utiliza un tercer terminal para cambiar la celda de memoria entre estados de memoria. La segunda generación de la tecnología NRAM se basa en una celda de memoria de dos terminales. La celda de dos terminales tiene ventajas como un tamaño de celda más pequeño, una mejor escalabilidad a nodos de menos de 20 nm (consulte fabricación de dispositivos semiconductores ) y la capacidad de pasivar la celda de memoria durante la fabricación.
En una matriz de tejido no tejido de nanotubos de carbono (CNT), los nanotubos cruzados pueden estar en contacto o ligeramente separados según su posición. Al tocarse, los nanotubos de carbono se mantienen unidos por las fuerzas de Van der Waals . [1] Cada "celda" NRAM consta de una red interconectada de CNT ubicados entre dos electrodos, como se ilustra en la Figura 1. El tejido de CNT está ubicado entre dos electrodos metálicos, que se define y graba mediante fotolitografía , y forma la celda NRAM.
La NRAM actúa como una memoria de acceso aleatorio (RAM) no volátil resistiva y se puede colocar en dos o más modos resistivos según el estado resistivo de la estructura de CNT. Cuando los CNT no están en contacto, el estado de resistencia de la estructura es alto y representa un estado "apagado" o "0". Cuando los CNT entran en contacto, el estado de resistencia de la estructura es bajo y representa un estado "encendido" o "1". La NRAM actúa como una memoria porque los dos estados resistivos son muy estables. En el estado 0, los CNT (o una parte de ellos) no están en contacto y permanecen en un estado separado debido a la rigidez de los CNT, lo que resulta en un estado de medición de alta resistencia o baja corriente entre los electrodos superior e inferior. En el estado 1, los CNT (o una parte de ellos) están en contacto y permanecen en contacto debido a las fuerzas de Van der Waals entre los CNT, lo que resulta en un estado de medición de baja resistencia o alta corriente entre los electrodos superior e inferior. Tenga en cuenta que otras fuentes de resistencia, como la resistencia de contacto entre el electrodo y el CNT, pueden ser significativas y también deben considerarse.
Para cambiar la NRAM entre estados, se aplica un voltaje pequeño mayor que el voltaje de lectura entre los electrodos superior e inferior. Si la NRAM está en el estado 0, el voltaje aplicado provocará una atracción electrostática entre los CNT cercanos entre sí, lo que provocará una operación SET. Después de eliminar el voltaje aplicado, los CNT permanecen en un estado 1 o de baja resistencia debido a la adhesión física (fuerza de Van der Waals) con una energía de activación (E a ) de aproximadamente 5 eV. Si la celda NRAM está en el estado 1, la aplicación de un voltaje mayor que el voltaje de lectura generará excitaciones de fonones de CNT con suficiente energía para separar las uniones de CNT. Esta es la operación RESET impulsada por fonones. Los CNT permanecen en el estado OFF o de alta resistencia debido a la alta rigidez mecánica ( módulo de Young 1 TPa) con una energía de activación (E a ) mucho mayor que 5 eV. La Figura 2 ilustra ambos estados de un par individual de CNT involucrados en la operación de conmutación. Debido a la alta energía de activación (> 5eV) requerida para cambiar entre estados, el interruptor NRAM resiste interferencias externas como la radiación y la temperatura de funcionamiento que pueden borrar o invertir memorias convencionales como la DRAM .
Las NRAM se fabrican depositando una capa uniforme de CNT sobre una matriz prefabricada de controladores, como transistores, como se muestra en la Figura 1. El electrodo inferior de la celda NRAM está en contacto con la vía subyacente (electrónica) que conecta la celda al controlador. El electrodo inferior se puede fabricar como parte de la vía subyacente o se puede fabricar simultáneamente con la celda NRAM, cuando la celda se define y graba fotolitográficamente. Antes de que la celda se defina y grabe fotolitográficamente, el electrodo superior se deposita como una película metálica sobre la capa de CNT de modo que el electrodo metálico superior se modela y graba durante la definición de la celda NRAM. Después de la pasivación dieléctrica y el relleno de la matriz, el electrodo metálico superior se expone grabando nuevamente el dieléctrico superpuesto utilizando un proceso de suavizado como la planarización químico-mecánica . Con el electrodo superior expuesto, se fabrica el siguiente nivel de interconexión de cableado metálico para completar la matriz NRAM. La Figura 3 ilustra un método de circuito para seleccionar una sola celda para escritura y lectura. Mediante una disposición de interconexión de rejilla cruzada, la NRAM y el controlador (la celda) forman una matriz de memoria similar a otras matrices de memoria. Se puede seleccionar una sola celda aplicando los voltajes adecuados a la línea de palabras (WL), la línea de bits (BL) y las líneas de selección (SL) sin perturbar las otras celdas de la matriz. Alternativamente, entre el electrodo inferior y la capa metálica superior pueden haber dos capas de CNT: una con CNT dispuestos de manera uniforme y otra con CNT dispuestos de manera aleatoria. Los CNT dispuestos de manera uniforme se utilizan para proteger a los CNT dispuestos de manera aleatoria de la capa metálica superior. [2]
La memoria NRAM tiene una densidad, al menos en teoría, similar a la de la memoria DRAM. La memoria DRAM incluye condensadores, que son esencialmente dos pequeñas placas de metal con un aislante delgado entre ellas. La memoria NRAM tiene terminales y electrodos aproximadamente del mismo tamaño que las placas de una memoria DRAM, y los nanotubos entre ellas son mucho más pequeños que no agregan nada al tamaño total. Sin embargo, parece que hay un tamaño mínimo en el que se puede construir una memoria DRAM, por debajo del cual simplemente no se almacena suficiente carga en las placas. La memoria NRAM parece estar limitada solo por la litografía [ cita requerida ] . Esto significa que la memoria NRAM puede volverse mucho más densa que la DRAM, tal vez también menos costosa. A diferencia de la DRAM, la memoria NRAM no requiere energía para "refrescarse" y mantendrá su memoria incluso después de que se corte la energía. Por lo tanto, la energía necesaria para escribir y retener el estado de la memoria del dispositivo es mucho menor que la de la DRAM, que tiene que acumular carga en las placas de las celdas. Esto significa que la NRAM puede competir con la DRAM en términos de costo, pero también requiere menos energía y, como resultado, también es mucho más rápida porque el rendimiento de escritura está determinado en gran medida por la carga total necesaria. En teoría, la NRAM puede alcanzar un rendimiento similar al de la SRAM, que es más rápida que la DRAM pero mucho menos densa y, por lo tanto, mucho más cara.
En comparación con otras tecnologías de memoria de acceso aleatorio no volátil (NVRAM), la NRAM tiene varias ventajas. En la memoria flash , la forma común de NVRAM, cada celda se asemeja a un transistor MOSFET con una compuerta de control (CG) modulada por una compuerta flotante (FG) interpuesta entre la CG y la FG. La FG está rodeada por un dieléctrico aislante, típicamente un óxido. Dado que la FG está aislada eléctricamente por el dieléctrico circundante, cualquier electrón colocado en la FG quedará atrapado en la FG, que apantalla la CG del canal del transistor y modifica el voltaje umbral (VT) del transistor. Al escribir y controlar la cantidad de carga colocada en la FG, la FG controla el estado de conducción del dispositivo flash MOSFET dependiendo del VT de la celda seleccionada. Se detecta la corriente que fluye a través del canal MOSFET para determinar el estado de la celda formando un código binario donde un estado 1 (flujo de corriente) cuando se aplica un voltaje CG apropiado y un estado 0 (sin flujo de corriente) cuando se aplica el voltaje CG.
Después de escribir en él, el aislante atrapa electrones en el FG, bloqueándolo en el estado 0. Sin embargo, para cambiar ese bit, el aislante tiene que ser "sobrecargado" para borrar cualquier carga que ya esté almacenada en él. Esto requiere un voltaje más alto, alrededor de 10 voltios, mucho más de lo que una batería puede proporcionar. Los sistemas flash incluyen una " bomba de carga " que acumula energía lentamente y la libera a un voltaje más alto. Este proceso no solo es lento, sino que degrada los aislantes. Por esta razón, la memoria flash tiene un número limitado de escrituras antes de que el dispositivo ya no funcione de manera efectiva.
Tanto la lectura como la escritura en NRAM consumen poca energía en comparación con la memoria flash (o la DRAM, en este caso, debido a la "actualización"), lo que significa que la NRAM podría tener una mayor duración de la batería. También puede ser mucho más rápida para escribir que cualquiera de las dos, lo que significa que puede usarse para reemplazar a ambas. Los teléfonos modernos incluyen memoria flash para almacenar números de teléfono, DRAM para una memoria de trabajo de mayor rendimiento porque la memoria flash es demasiado lenta y algo de SRAM para un rendimiento aún mayor. Se podría colocar algo de NRAM en la CPU para que actúe como caché de la CPU , y más en otros chips que reemplacen tanto la DRAM como la memoria flash.
NRAM es uno de una variedad de nuevos sistemas de memoria, muchos de los cuales afirman ser " universales " de la misma manera que NRAM, reemplazando todo, desde flash hasta DRAM y SRAM.
Una memoria alternativa lista para usar es la RAM ferroeléctrica (FRAM o FeRAM). La FeRAM agrega una pequeña cantidad de material ferroeléctrico a una celda DRAM. El estado del campo en el material codifica el bit en un formato no destructivo. La FeRAM tiene ventajas respecto de la NRAM, aunque el tamaño de celda más pequeño posible es mucho mayor que el de la NRAM. La FeRAM se utiliza en aplicaciones donde el número limitado de escrituras de flash es un problema. Las operaciones de lectura de FeRAM son destructivas y requieren una operación de escritura restauradora después.
Otros sistemas de memoria más especulativos incluyen la memoria de acceso aleatorio magnetorresistiva (MRAM) y la memoria de cambio de fase (PRAM). La MRAM se basa en una red de uniones de túnel magnético . La MRAM lee la memoria utilizando el efecto de magnetorresistencia de túnel , lo que le permite leer la memoria de forma no destructiva y con muy poca energía. Las primeras MRAM usaban escritura inducida por campo, [3] alcanzó un límite en términos de tamaño, lo que la mantuvo mucho más grande que los dispositivos flash. Sin embargo, las nuevas técnicas de MRAM podrían superar la limitación de tamaño para hacer que la MRAM sea competitiva incluso con la memoria flash. Las técnicas son la conmutación asistida térmicamente (TAS), [4] desarrollada por Crocus Technology , y el par de transferencia de espín en el que Crocus, Hynix , IBM y otras empresas estaban trabajando en 2009. [5]
La PRAM se basa en una tecnología similar a la de los CD o DVD grabables, que utiliza un material de cambio de fase que modifica sus propiedades magnéticas o eléctricas en lugar de sus propiedades ópticas. El material de la PRAM es escalable, pero requiere una fuente de corriente más grande.
Nantero se fundó en 2001 y tiene su sede en Woburn, Massachusetts . Debido a la inversión masiva en plantas de fabricación de semiconductores flash , ninguna memoria alternativa ha reemplazado a la flash en el mercado, a pesar de las predicciones de 2003 sobre la inminente velocidad y densidad de la NRAM. [6] [7]
En 2005, NRAM se promocionó como memoria universal y Nantero predijo que estaría en producción a fines de 2006. [8] En agosto de 2008, Lockheed Martin adquirió una licencia exclusiva para aplicaciones gubernamentales de la propiedad intelectual de Nantero. [9]
A principios de 2009, Nantero tenía 30 patentes estadounidenses y 47 empleados, pero todavía estaba en la fase de ingeniería. [10] En mayo de 2009, se probó una versión resistente a la radiación de NRAM en la misión STS-125 del transbordador espacial estadounidense Atlantis . [11]
La empresa estuvo en silencio hasta que se anunció otra ronda de financiación y colaboración con el centro de investigación belga imec en noviembre de 2012. [12] [13] Nantero recaudó un total de más de 42 millones de dólares a través de la ronda de serie D de noviembre de 2012. [14] Los inversores incluyeron a Charles River Ventures , Draper Fisher Jurvetson , Globespan Capital Partners, Stata Venture Partners y Harris & Harris Group . En mayo de 2013, Nantero completó la serie D con una inversión de Schlumberger . [15] EE Times incluyó a Nantero como una de las "10 principales empresas emergentes a tener en cuenta en 2013". [16]
31 de agosto de 2016: Dos empresas de semiconductores de Fujitsu están licenciando la tecnología NRAM de Nantero con un desarrollo conjunto de Nantero-Fujitsu para producir chips, anunciado en 2018. Se anuncia que tienen reescrituras miles de veces más rápidas y miles de veces más ciclos de reescritura que la memoria flash incorporada. [17] A partir de 2024, estos productos aún se anuncian pero no han llegado al mercado.
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