به موازات این پیشرفت ها، تکنولوژی حافظه ها از نوع حافظه های غیرفرار non-volatile memory سریعتر از دیگر نوع آن حافظه های فرار volatile memory گسترش یافته است. حافظه های غیرفرار جدید مانند RAM فروالکتریکی (Fe-RAM) ، حافظه مبتنی بر تغییر فاز phase change memory (PCM) ، حافظه spin-transfer torque (STT RAM) و حافظه های مبتنی بر تغییر مقاومت مانند Resistive RAM (RRAM) که نوعی ممریستور (Memristor) است با مدت زمان ماندگاری بالای دیتا، سرعت بالا در خواندن و نوشتن، نویدبخش تغییرات مثبت در آینده حافظه ها می باشد.
اساس تکنولوژی ممریستور را لئون چوا، استاد در دانشگاه برکلی، در سال ۱۹۷۱ با فرمول‌های ریاضی و فیزیکی اثبات کرد. اما ساخت یک نمونه عملی آن ۳۷ سال بعد در آزمایشگاه شرکت HP، توسط استانلی ویلیام و همکارانش، بر پایه لایه‌های نازک انجام شد. لئون، با توجه به اینکه بین جریان و ولتاژ در مقاومت، بین ولتاژ و بارالکتریکی در خازن و بین جریان و شارمغناطیسی در سلف رابطه ریاضی وجود دارد، یک عنصر چهارمی را مطرح کرد که بین شارمغناطیسی و بار الکتریکی آن رابطه مستقیمی وجود داشته باشد. او این عنصر پسیو غیرخطی جدید خود را ممریستور نام گذاشت.
ممریستور یک المان دو پایانه‌ای در مدارها است که در ابعاد و مقیاس نانو ساخته شده و مقاومت آن به دامنه، پلاریته و مدت زمان ولتاژ اعمال شده به آن بستگی دارد. در این عنصر رابطه ای بین بار الکتریکی Charge (q) و شار مغناطیسی magnetic flux (φ) وجود دارد که موجب می شود اعمال ولتاژ در یک جهت باعث کاهش تدریجی مقاومت عنصر و در نتیجه افزایش جریان عبوری از آن شود و اعمال ولتاژ در جهت معکوس باعث افزایش مقاومت عنصر و کاهش جریان آن شود. این پدیده را می توان در منحنی هیسترسیس جریان-ولتاژ hysteresis I-Vنیز مشاهده کرد. مقاومت عنصر در صورت عدم اعمال ولتاژ ثابت می ماند. این ویژگی باعث می‌شود تا این عنصر بتواند به عنوان یک حافظه مقاومتی غیر فرار در نظر گرفته شود و اطلاعات را تا زمانی که ولتاژی با مقدار و پلاریته متفاوتی به آن اعمال شود حتی تا یک سال بعد دخیره نماید.
تغییر مقاومت در اثر میدان الکتریکی در مواد عایق نیز مشاهده شده است اما این پدیده در طیف گسترده ای از اکسیدهای فلزی در جهت گسترش حافظه های غیرفرار مورد مطالعه قرار گرفته اند. اکسیدهای فلزی مانند hafnium oxide (HfO x) و titanium oxide (TiO x) و چندی دیگر از طریق روشهای لایه نشانی مانند لیزر پالسی pulse laser deposition (PLD) ، روش لایه نشانی اتمی atomic layer deposition (ALD) و روش sputtering انجام می شود. روش ALD بخاطر کنترل دقیقتری که بر روی ضخامت لایه دارد و یکنواختی لایه نازک بیشتر استفاده می شود.
مدل فیزیکی از ممریستوری که در آزمایشگاه شرکت HPساخته شده است شامل یک لایه نازک دو لایه (ضخامت ۱۰نانومتر) از دی اکسید تیتانیوم TiO2 می باشد که بین دو کنتاکت پلاتینیوم قرار می گیرد. در یکی از لایه ها حفره اکسیژن oxygen vacancies نفوذ داده می شود. در نتیجه این لایه رفتار نیمه هادی به خود می گیرد و لایه دیگر خواص عایق خواهد داشت. عرض ناحیه نفوذ داده شده(x) معرف بار الکتریکی عنصر می باشد و مقدار مقاومت ممریستور از رابطه شکل زیر محاسبه می شود مرز بین دو ناحیه متناسب با جریان عبوری از عنصر جابجا می شود. سرعت جابجای وابسته به مقاومت ناحیه نفوذ داده شده است. تابع f به علت غیرخطی بودن در لبه های لایه نازک وارد معادلات می شود و window function نامیده می شود.
در شکل دیگر بلوک دیاگرام این ممریستور مشاهده می شود. ممریستور استفاده گسترده ایی در مدارهای آنالوگ و دیجیتال دارند. مصرف پایین ممریستور ، سایز در ابعاد نانو و سرعت این نوع حافظه ها آن را به کاندیدای مناسبی برای محاسبات موازی و پیچیده در شبکه های عصبی که نیاز فراوانی به دسترسی سریع به حافظه دارند ایجاد میکند. از ممریستور هم به عنوان نرون و هم به عنوان سیناپس در شبکه های عصبی استفاده می شود.
نحوه بکار گیری یک memristor به عنوان سلول حافظه
سلول حافظه را می توان در ساختاری متشکل از یک ممریستور و یک ترانزیستوری (۱T1R) ایجاد کرد. این ساختار را در شکل زیر مشاهده می کنید.
در ساختار اصلی آرایه سلول های حافظه مشابه آنچه که در DRAM اتفاق می افتد از wordline (WL) برای فعال کردن Word استفاده می شود که در واقع از باس آدرس حافظه ایجاد می شود و bitline (BL) در واقع دیتای وارد شده یا خارج شده از حافظه می باشد.
برای نوشتن در حافظه، ولتاژ VDD به WL اعمال می شود و با توجه به اینکه بخواهیم در سلول حافظه مقدار صفر و یا یک نوشته شود به BL بترتیب ولتاژ صفر یا VDD اعمال می شود. با توجه به اینکه به LL ولتاژ VDD/2 داده می شود، ولتاژ روی ممریستور بسته به نوشتن یک یا صفر در سلول می تواند مثبت یا منفی باشد. طی نوشتن یک در سلول، جریان جاری در ممریستور باعث کاهش مقاومت آن می شود و طی نوشتن صفر، جریان عبوری از ممریستور، مقاومت آن را افزایش می دهد. برای خواندن از حافظه ۱T1R ، ابتدا خط BLبا ولتاژ صفر دشارژ می شود و ولتاژ VDD به WL و LL اعمال می شود. برای یک پریود زمانی مشخص از اعمال ولتاژ بر روی WL,LL بسته به مقدار ذخیره شده (مقاومت ممریستور) مقدار BL می تواند از یک مقدار آستانه بیشتر یا کمتر شود. تفاضل این مقدار با مقدار آستانه توسط تقویت کننده های تفاضلی خوانده می شود.
Singh J, Raj B. Comparative analysis of memristor models and memories design. Journal of Semiconductors. 2018;39:074006
https://nanoscalereslett.springeropen.com/articles/10.1186/s11671-020-03299-9
