ReRAM: Ein genauerer Blick auf Resistive RAM

ReRAM (Resistiver RAM, ReRAM, RRAM)

ReRAM (Resistiver Random Access Memory) ist eine Art von nicht-flüchtigem RAM. Die Daten bleiben also lange Zeit erhalten, selbst wenn die Stromzufuhr abbricht. In diesem Eintrag werden wir die Funktionsweise des ReRAM vereinfacht wiedergeben.

Beginnen wir mit einer Betrachtung der einzelnen Komponenten des Begriffs, denn sie geben uns Einblicke in die Charakteristika dieser Speichertechnologie.

Resistive:
Der Begriff "Resistive" bezieht sich auf den elektrischen Widerstand: Denn ReRAM zeichnet aus, dass er das Widerstandsverhalten von speziellen Materialien nutzt, um Daten zu speichern.

Random Access Memory:
Wie jeder andere RAM-Typ zeichnet sich auch ReRAM durch „Random Access“ bzw. den direkten Zugriff auf Speicherzellen aus. Das bedeutet, dass jede Speicheradresse unabhängig von den anderen direkt und in etwa der gleichen Zeit angesprochen werden kann. Das unterscheidet RAM von sequenziellen Speichermedien, bei denen die Zugriffszeit abhängig von der Position der Daten ist.

Eigenschaften von ReRAM

Nicht flüchtig
Wie bereits in der Einleitung erwähnt, handelt es sich bei ReRAM um eine nicht-flüchtige Speichertechnologie. Daten werden also auch dann gespeichert, wenn die Stromversorgung abgeschaltet wird. Das unterscheidet ihn von vielen anderen Arten von Speicher, die ständig mit Strom versorgt werden müssen, um ihre Daten zu behalten (wie bspw. der DRAM).

Hohe Speicherdichte
ReRAM kann eine hohe Anzahl von Bits auf einem kleinen physischen Raum speichern. Es können also mehrere Zustände in einer einzigen Zelle gespeichert werden, was zu einer hohen Speicherdichte führt.
Damit hat ReRAM das Potenzial, eine höhere Speicherdichte als bspw. Flash-Speicher, DRAM oder SRAM zu erreichen, da diese typischerweise eines oder zwei Bits pro Zelle speichern können (durch unterschiedliche Ladungszustände). Noch wichtiger ist, dass ReRAM die Fähigkeit bietet, Speicherzellen in mehreren Schichten zu stapeln (ein Prozess, der als "3D-Stacking" bezeichnet wird).

3D-Stacking
Wie der Name bereits nahelegt, erlaubt es die 3D-Stacking Technologie mehrere Schichten von ICs übereinander zu stapeln und damit die Dichte der Bauelemente und die Geschwindigkeit der Kommunikation zwischen den Bauteilen zu erhöhen.

ReRAM eignet sich aufgrund seiner speziellen Struktur und Funktionsweise für 3D-Stacking. Im Kern ist eine ReRAM Zelle ein zweipoliges Bauteil (ein sogenannter "Memristor"), bei der der Widerstandszustand durch die Anwendung von Spannung geändert werden kann. Dieser Mechanismus ist relativ einfach und kompakt, sodass er sich gut für mehrschichtige Anwendungen eignet. Zudem erzeugen ReRAM-Zellen im Vergleich zu anderen Speichertechnologien weniger Wärme, was ein kritischer Faktor beim 3D-Stacking ist.

Applikationsspezifische Eignung von ReRAM

Ein kurzer Hinweis vorab: Ob sich der Einsatz von ReRAM für bestimmte Anwendungen empfiehlt, lässt sich nicht pauschal sagen und hängt immer von einer Vielzahl an applikationsspezifischen Faktoren ab. Mit den folgenden Informationen zur Eignung von ReRAM für verschiedene Anwendungsbereiche möchten wir daher keine Kaufempfehlungen aussprechen, sondern vielmehr die Eigenschaften der Speichertechnologie ReRAM in einen Kontext setzen.

Künstliche Intelligenz (KI) und Maschinelles Lernen (ML)
KI- und ML-Algorithmen verarbeiten große Mengen an Daten und erfordern eine hohe Speicherdichte und Geschwindigkeit. ReRAM kann die notwendige Kapazität und Geschwindigkeit liefern, um diese Algorithmen effizient auszuführen. Ein konkretes Beispiel könnte ein autonomes Fahrzeug sein, das KI verwendet, um seine Umgebung zu analysieren und Entscheidungen zu treffen. Die hohe Speicherdichte und Geschwindigkeit von ReRAM könnten die Verarbeitungsleistung verbessern und die Energieeffizienz erhöhen.

Internet der Dinge (IoT)
Um die Akkulaufzeit zu maximieren, benötigen IoT-Geräte Speicher, die wenig Energie verbrauchen. Ebenso muss dieser in der Lage sein, Daten zu speichern, auch wenn das Gerät ausgeschaltet ist. ReRAMs Nicht-Flüchtigkeit und geringer Energieverbrauch machen ihn somit ideal für diese Anwendungen. Ein konkretes Beispiel ist ein vernetzter Thermostat, der die Temperaturdaten über einen längeren Zeitraum speichert, um das Heiz- und Kühlsystem des Hauses effizient zu steuern.

Funktionsweise des ReRAM

Die Arbeitsweise von ReRAM ist besonders interessant. Wie auch bei anderen Speichertechnologien wie MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory) und PCRAM, repräsentiert ReRAM die Zustände 'logisch-0' und 'logisch-1' durch verschiedene, messbare Widerstände. Das Einzigartige an ReRAM ist jedoch, wie diese Widerstände erzeugt werden.

ReRAM-Speicherzellen nutzen das Widerstandsverhalten von speziellen Materialien, um Daten zu speichern. Im Gegensatz zu anderen Speicherformen, wie DRAM oder Flash, bei denen Informationen durch Ladungsträger (Elektronen) gespeichert werden, speichert ReRAM Informationen durch den Widerstand der Speicherzellen.

Die Grundidee ist folgende: Auf einer Substanz, die elektrischen Strom nur schlecht oder gar nicht leitet (diese Substanz wird als Dielektrikum bezeichnet), können durch Anlegen einer ausreichend hohen Spannung leitende Kanäle geschaffen werden. Durch diese leitenden Kanäle kann dann Strom fließen – das Dielektrikum wird also 'umprogrammiert', um verschiedene Widerstände zu erzeugen, die dann die Zustände 'logisch-0' und 'logisch-1' repräsentieren. Besonders nützlich für unsere Zwecke ist daran, dass dieser Zustand auch dann erhalten bleibt, wenn die Stromzufuhr unterbrochen wird.

Quellen

• Emerging Non-Volatile Memories; Seungbum Hong, Orlando Auciello, Dirk Wouters (https://link.springer.com/book/10.1007/978-1-4899-7537-9)
• Elektronik-Kompendium (RRAM / ReRAM - https://www.elektronik-kompendium.de/sites/com/1909161.htm )
• Resistive Switching: From Fundamentals of Nanoionic Redox Processes to Memristive Device Applications; Daniele Ielmini, Rainer Waser - (https://www.wiley.com/en-us/Resistive+Switching%3A+From+Fundamentals+of+Nanoionic+Redox+Processes+to+Memristive+Device+Applications-p-9783527680931)
• Wikipedia DE (Resistive Random Access Memory - https://de.wikipedia.org/wiki/Resistive_Random_Access_Memory )
• Wikipedia EN (Resistive Random Access Memory - https://en.wikipedia.org/wiki/Resistive_random-access_memory )