Hapetus ja pelkistys muistitekniikan perustana

Tiederintamalla redox (hapetus-pelkistys) –perustaisia resistiivisiä muisteja  (ReRAM) on pidetty erittäin lupaavana tulevaisuuden muistitekniikkana.  Nyt se alkaa toteutua myös kaupallisesti.

ReRAM tarjoaa haihtumatonta datan tallennusta ainakin kahdella eri resistanssitasolla. Ehkä myös välitasoilla. Ja vaihto tapahtuu sopivalla jännitepulssilla. ReRAM-solu koostuu helposti valmistettavasta Metal-Insulator-Metal (MIM) pinosta.

Eräs ReRAM:ien toimintamuoto on sähkökemiallisen metalloinnin muisti (Electrochemical metallization memory, EMC). Nämä muistisolut tunnetaan myös ohjelmoitavina metallointi muistisoluina (PMC), johtavan siltauksen RAM:eina (conductive bridge random acces memory, CBRAM) tai atomisina kytkiminä.

Toiminnallisesti ne tukeutuvat johtavan säikeen sähkökemialliseen kasvuun ja toisaalta säikeen liukenemiseen. Rakenteellisesti ne koostuvat aktiivisesta metallielektrodista, kationeja johtavasta eristyskerroksesta ja inertistä vastaelektrodista.

ECM-solut ovat tiedemaailmassa osoittaneet monibittisen datatallennuksen kapasiteettia (tunnelointi), joka on skaalattavissa lähes atomiselle tasolle asti. Lisäksi ne ovat osoittaneet erittäin pientä ohjelmoinnin tehonkäyttöä.

Kun positiivinen jännite ohjataan aktiiviselle elektrodille, se oksidoituu sähkökemiallisesti varauksen siirron prosessissa. Vastaavasti kationi liukenee eristävään kerrokseen ja vaeltaa sähkökentän alla kohti inerttiä katodia.

Katodin redox-reaktiossa kationit pelkistyvät ja vakaan ytimen muodostumisen jälkeen metallinen säie alkaa kasvamaan kohti aktiivista elektrodia ja tuottaa lopulta galvaanisen kontaktin.

Yksinkertaisimmillaan RESET saavutetaan vain soveltamalla negatiivista potentiaalia aktiiviselle elektrodille. Muistisolun toiminta on luonnostaan bipolaarista.

Tulevaisuuden muistitekniikkaan vuodesta 2007 lähtien panostanut yhdysvaltalainen Adesto julkaisi ensimmäisen CBRAM-muistipiirin jo vuonna 2012.

Nyt yhtiö tähtää kaupallisella CBRAM-sarjamuistien tuotteilla haihtumattomien EEPROM- ja NOR-Flash -markkinoille. Mavriq-tuotesarjassa on tarjolla I2C- ja SPI-väyläisiä muisteja tiheyksillä 32 – 512 kilobittiä.

Adeston mukaan Conductive Bridging RAM (CBRAM) on läpimurto haihtumattomassa muistitekniikassa. Sen kirjoitusoperaatio on hyvin nopea (<1us) verrattuna nykyisiin Flash muistitekniikoihin (~ 1 ms). Tämä tekee kirjoitusoperaatioista 20 kertaa nopeampia kuin Flashilla, ja kuluttaa 10-100 kertaa vähemmän energiaa.