Grzegorz Kamiński: Nowe pamięci nieulotne (część 2) – RRAM

Zacznijmy od kompletnie podstawowych informacji – ReRAM (Resistive Random Access Memory), zwana również RRAM, to technologia pamięci nieulotnej, która przechowuje informacje poprzez zmianę rezystancji elektrycznej materiału.

W przeciwieństwie do konwencjonalnej pamięci DRAM, ReRAM zachowuje dane po odłączeniu zasilania. W odróżnieniu od pamięci NAND flash, nie opiera się na gromadzeniu ładunku w bramce pływającej (floating gate) ani w warstwie pułapkującej ładunek.

Działanie pamięci ReRAM polega na przełączaniu komórki pamięci między różnymi stanami rezystancji:

• Stan niskiej rezystancji (LRS): zazwyczaj odpowiada wartości binarnej „1”.
• Stan wysokiej rezystancji (HRS): zazwyczaj odpowiada wartości binarnej „0”.

Przypisanie wartości 0 i 1 jest kwestią umowną i może zostać odwrócone.

Technologia ReRAM jest rozwijana z powodu możliwości jej zastosowaniach wymagających niskiego poboru mocy, dużej gęstości zapisu, szybkiego przełączania oraz nieulotności danych. Jest to interesująca pamięć z powodu rozwoju technologii sztucznej inteligencji – obliczenia neuromorficzne oraz typu „compute-in-memory” (przetwarzanie/obliczenia bezpośrednio w pamięci). Jej konstrukcja umożliwia także zastosowanie tej pamięci w systemach wbudowanych, w mikrokontrolerach, gdzie może zastępować pamięć NAND Flash.

Istnieje też pojęcie memrystora, czyli rezystora pamięciowego. Może się to kojarzyć z pamięcią Rezystancyjną RAM (RRAM lub ReRAM).  Ale to chyba inny element. W 1971 roku profesor Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley Leon O. Chua (dr Honoris Cousa AGH, między innymi) wprowadził to pojęcie w swoich rozważaniach teoretycznych. Założył on, że gdy mamy:

rezystor R: dV=R*dI, kondensator C : dQ = C*dV albo dV = dQ/C , indukcyjność L : dΦ = L*dI,

to musi istnieć memrystor, gdzie dΦ = M*dQ.

Dopiero w 2008 roku zespół z firmy HP potwierdził praktycznie istnienie takiego elementu. Czasami memrystor jest utożsamiany z pamięcią RRAM lub z inną nową pamięcią nieulotną PCM. “Zapomnijmy” jednak o tym pojęciu, ponieważ w tym artykule nie będę się już zajmował memrystorem, tylko pamięcią RRAM (ReRAM).

RRAM – struktura i rodzaje pamięci

Podstawowa komórka pamięci nieulotnej ReRAM ma strukturę metal–izolator–metal (MIM).
Górna elektroda metalowa (TE – Top Electrode ) najczęściej wykonana jest platyny, wolframu, azotku tytanu (Pt, W, TiN). W specyficznej wersji pamięci RRAM – ze srebra lub miedzi (Ag, Cu). Dolna elektroda (BE – Bottom Electrode) jest wykonana z platyny, wolframu lub azotku tytanu (Pt,W, TiN). Warstwa przełączająca to cienka warstwa dielektryka, o grubości wynoszącej zaledwie od kilku do kilkudziesięciu nanometrów. Jako dielektryka używa się tlenków. Preferowane są HfO2 oraz SiOX, ze względu na zgodność z procesami technologicznymi wytwarzania układów CMOS. Ten pierwszy jest stosowany w zaawansowanych technologiach jako tlenek bramki, o tzw. high-k. Drugi to wersja tlenku SiO2, ale ze względu na fakt, iż potrzebne są wolne jony tlenu, materiał ten jest nieco zmodyfikowany i dlatego określany jest jako SiOX. Inne tlenki stosowane w tym rodzaju pamięci to TiO2 oraz Ta2O5.  Strukturę pamięci RRAM przedstawia rysunek poniżej.

Odmianą pamięci RRAM jest zwana inaczej pamięć CBRAM (Conductive Bridge RAM).
W klasycznej RRAM element przełączający tworzą jony tlenu. Gdy tzw. conductive filament jest utworzony, mamy stan niskiej rezystancji (LRS). Gdy jest przerwany, to mamy stan wysokiej rezystancji (HRS). Odpowiada zapisaniu w komórce pamięci stanu “1” i “0”. Pamięć jest nieulotna, gdyż wyłączenie zasilania nie powoduje utraty informacji zapisanej w komórce – warstwa przewodząca utworzona przez jony tlenu lub gdy jest przerwana, nie zmienia się przy wyłączeniu zasilania.

W odmianie pamięci CBRAM górna elektroda wykonana jest ze srebra Ag lub miedzi Cu, a “kolumnę” przewodzącą tworzą jony metalu górnej elektrody a nie jony tlenu znajdujące się w dielektryku. To w praktyce jedyna różnica pomiędzy dwoma rodzajami pamięci nieulotnej RRAM. Z punktu widzenia zgodności z technologią CMOS w tym rodzaju pamięci preferowana jest elektroda miedziana Cu. Inne różnice pomiędzy Ag i Cu są przedstawione na rysunku poniżej, podobnie jak struktura komórki pamięci i zasada działania.

Zasada działania

Najprościej zasadę działania można tak opisać, że utworzenie ścieżki przewodzącej w postaci ujemnie naładowanych jonów tlenu, lub jak w przypadku pamięci CBRAM metalu (SET) sprawia, że mamy stan niskiej rezystancji pomiędzy elektrodami TE i BE, czyli stan LRS. Przerwanie tej ścieżki (RESET) wywołuje pomiędzy elektrodami TE i BE stan wysokiej rezystancji HRS. W obecnie wytwarzanych pamięciach RRAM stosunek HRS/LRS wynosi od 10 do 104, co pokazuje, że dość łatwo jest wykryć, z jakim stanem mamy do czynienia. Dlatego stanowi LRS możemy przypisać np. “1” logiczne a stanowi HRS “0” logiczne. No i mamy komórkę pamięci RRAM (ReRAM).

Proces SET, czyli przejście w stan niskiej rezystancji, możemy opisać w kilku krokach:

• Do komórki o strukturze jak na rysunkach powyżej przykłada się napięcie. Zwykle jest to napięcie od 1 do 1,8V, a więc idealne do zaawansowanych układów scalonych.
• Ruchliwe jony tlenu lub metalu ulegają przegrupowaniu w warstwie przełączającej dielektryka.
• Tworzy się ścieżka przewodząca, co powoduje spadek rezystancji do wartości LRS
• Komórka pamięci przechodzi w stan niskiej rezystancji czyli umownie w stan “1”.

Proces odwrotny RESET:

• Przyłożone zostaje napięcie o odwrotnej polaryzacji, zwykle ujemnej.
• Włókno przewodzące (filament) ulega częściowemu przerwaniu.
• Rezystancja wzrasta do wartości HRS.
• Komórka pamięci przechodzi w stan wysokiej rezystancji czyli zgodnie z umową w stan “0”.

Proste. Jednak w tym miejscu muszę poczynić kilka uwag. Rysunki struktury komórki pamięci RRAM nie są w skali. Warstwa przewodząca dielektryka jest dużo cieńsza niż grubość elektrod TE i BE. Jak już wcześniej wspomniałem, grubość dielektryka wynosi od kilku do kilkudziesięciu nanometrów. Większość rysunków w literaturze w taki sposób pokazuje mechanizm zmiany rezystancji z HRS na LRS i odwrotnie. Może zatem powstać pytanie czy za pierwszym razem tworzenie takiego kanału/włókna przewodzącego realizuje się tak samo prosto, jak w kolejnych zapisach do pamięci. Nie, często pamięci RRAM wymagają tzw. formowania. Pierwsze utworzenie (SET) włókna przewodzącego z jonów tlenu lub metali wymaga napięcia formowania od 3,2 do 4,0V i może trwać dłużej niż kolejne zapisy. Istnieją też pamięci RRAM nie wymagające formowania. Zwykle mają mniejszą grubość dielektryka.

No i jeszcze musimy opisać w kilku prostych krokach procedurę odczytu (READ) takiej pamięci:

• Przykładane jest niewielkie (0,2-1,0) napięcie pomiędzy elektrody TE i BE.
• Mierzony jest prąd przepływający przez komórkę pamięci.
• Stan rezystancji jest określany bez zmiany zapisanej informacji, co nie zawsze ma miejsce we wszystkich rodzajach nowych pamięci nieulotnych.

Pamięć ReRAM jest nieulotna, co znaczy, że przy wyłączeniu zasilania włókna przewodzące w dielektryku nie ulegają przerwaniu.

Materiały i ich wytwarzanie

Dla działania i konstrukcji pamięci RRAM (ReRAM), kluczową rolę odgrywa materiał, który dostarcza jonów tlenu. Są to zmodyfikowane tlenki metali, umożliwiające powstawanie tzw. wakancji tlenowych. Wakancje tlenowe (ang. oxygen vacancies) to defekty punktowe w strukturze krystalicznej tlenków metali, polegające na braku atomu (jonu) tlenu w miejscu, w którym naturalnie powinien się on znajdować.

W odmianie tej pamięci zwanej CBRAM, jony dostarcza metal elektrod TE i BE. Jest to srebro (Ag) lub miedź (Cu).

Metalizacje elektrod TE i BE w tlenkowej pamięci ReRAM mają mniejsze znaczenie. Dobiera się je ze względu na kompatybilność procesu z innymi procesami używanymi w technologiach CMOS.

Zestawienie źródeł jonów do wytwarzania kanału przewodzącego umieszczono w tabeli poniżej.

Dwa materiały – tlenek hafnu i tlenek krzemu – są wyróżnione, ponieważ są kompatybilne z procesami technologicznymi CMOS. Możemy więc łatwo i z mniejszymi kosztami zaimplementować produkcję takiej pamięci na istniejących liniach do wytwarzania chipów.

Jak wytwarza się tlenki metali dielektryka oraz elektrody TE i BE (górną i dolną)? Nie będę wchodził w szczegóły technologiczne, wymienię tylko metody. Co jest dość oczywiste, obszary komórek pamięci są wytwarzane lokalnie, tak więc procesy trawienia i fotolitografii też są wykorzystywane. Teraz jednak zajmiemy się tylko metodami wytwarzania ww materiałów.

Do stworzenia ultracienkiej warstwy dielektryka (najczęściej tlenków metali przejściowych, takich jak HfO_2, Ta_2 O_5 czy TiO_2) w pamięciach ReRAM (Resistive Random-Access Memory), stosuje się zaawansowane technologie osadzania cienkowarstwowego zgodne z procesami CMOS:

• ALD (Atomic Layer Deposition – Osadzanie warstw atomowych): Jest to najpopularniejsza i najbardziej kluczowa metoda w produkcji seryjnej. Pozwala na kontrolowanie grubości dielektryka z precyzją monowarstwy atomowej oraz zapewnia doskonałą jednorodność i ciągłość struktury. Jest to niezbędne dla powtarzalnego formowania ścieżek przewodzących (tzw. filamentów);
• PVD np. Sputtering : Powszechnie stosowana metoda fizycznego osadzania z fazy gazowej, w której atomy metalu są wybijane z tarczy w atmosferze tlenu, tworząc na podłożu pożądaną warstwę tlenku. Umożliwia uzyskiwanie niestechiometrycznych tlenków, aby mieć tlenki z wakancjami tlenowymi, (niezbędny);
• CVD (Chemical Vapor Deposition – Chemiczne osadzanie z fazy gazowej), różne wersje (LPCVD, PECVD):  Duża szybkość nanoszenia warstw, a tym samym mniejsze koszty procesu.

Do wykonania materiałów elektrod w pamięciach ReRAM stosuje się zaawansowane procesy metalizacji, zgodne z technologią CMOS. W zależności od roli elektrody (aktywna w pamięciach w wersji CBRAM, czy pasywna), kluczowe jest precyzyjne nanoszenie czystych metali:

• PVD:  Podstawowa metoda nanoszenia elektrod metalicznych w przemyśle półprzewodnikowym;
• ALD (Atomic Layer Deposition): Podobnie jak w przypadku dielektryka, ALD zyskuje kluczowe znaczenie, gdy wymagana jest bardzo duża precyzja wykonania np. przy dużej gęstości pamięci. Proces jest wolniejszy i znacznie droższy niż PVD.

W przypadku warstw metalizacji elektrod, rzadziej jest stosowana technologia CVD. Natomiast przy elektrodach aktywnych w pamięciach CBRAM, preferowanym materiałem jest miedź (Cu), jako metal powszechnie stosowany w procesach CMOS. Drugi metal to srebro (Ag) i jego jony mogą stanowić niepożądane zanieczyszczenie w procesach CMOS.

Zastosowania i wyzwania

Zacznijmy na początek od największego problemu pamięci RRAM, czyli z ang. sneak-path problem. Bardzo dobrym tłumaczeniem tego zwrotu, w odniesieniu do  pamięci ReRAM (RRAM), jest określenie “problem ścieżek pasożytniczych” lub “problem prądów pasożytniczych”.

Rysunek poniżej pokazuje matrycę pamięci RRAM.

W matrycach takich jak na rysunku powyżej, typu crossbar, problem ten pojawia się, gdy prąd przeznaczony do odczytu wybranej komórki (znajdującej się w stanie wysokiej rezystancji HRS) zaczyna „uciekać” i płynąć przez sąsiednie, nie wybrane komórki, które akurat są w stanie niskiej rezystancji (LRS). Powstaje wtedy niepożądana, boczna ścieżka prądowa, która fałszuje wynik odczytu stanu pamięci. I to właśnie jest problem ścieżek pasożytniczych.

Załóżmy, że wybraliśmy komórkę C11 na rysunku powyżej i ma ona stan wysokiej rezystancji HRS. Przyjmijmy też, że wszystkie inne komórki mają stan LRS, natomiast HRS = 1MΩ, a wartość LRS =10 kΩ. Napięcie odczytu niech wynosi 0,5V.

W idealnej sytuacji prąd płynący przez wybraną komórkę powinien wynieść 0,5/1MΩ = 500 nA. Dokładna analiza pokaże nam, że prąd ucieknie przez trzy komórki w stanie LRS, a ponieważ jest to matryca 4×4, to takich pasożytniczych ścieżek prądu będzie 9. Da to nam rezystancje pasożytniczej ścieżki prądu Rsneak-path = 30kΩ/9 = 3,33 kΩ .

W takim wypadku prąd Isneak-path = 0,5V/3,33kΩ = ok. 150 μA, a więc 300 razy większy niż prąd wybranej komórki pamięci. W rezultacie odczytamy, że nasza wybrana komórka ma stan LRS, czyli “1” zamiast właściwej wartości “0”.

Pamiętacie scenę z filmu Vabank, gdy Duńczyk opowiada o możliwościach wejścia do banku Kramera? Kiedy wszystko wskazuje na to, że do banku nie da się wejść, okazuje się, że jednak można, ponieważ w przeciwnym razie Duńczyk “nie strzępiłby sobie języka…” Ja też tyle bym nie pisał o problemach ze ścieżkami pasożytniczymi, gdyby nie było dla nich rozwiązania. Bez tego pamięć ReRAM (RRAM) nie byłaby do końca bezużyteczna, ale jej zastosowania pozostawałyby znacznie ograniczone. Rozwiązanie przedstawia rysunek poniżej.

Struktura 1T1R – do każdej komórki ReRAM podłączony jest tranzystor, zwykle nMOS, który działa jak wyłącznik. Jeśli komórka nie bierze udziału w obliczeniach, tranzystor całkowicie odcina do niej dostęp. Rozwiązuje to problem ścieżek pasożytniczych, ale niestety komplikuje strukturę pamięci i zwiększa rozmiar komórki, a tym samym całej matrycy.

Struktura 1S1R – To ciekawe  zaawansowane rozwiązanie. Do komórki ReRAM dodaje się miniaturowy element o nieliniowej charakterystyce (np. diodę lub selektor progowy tzw. Ovonic threshold switch). Selektor przewodzi prąd tylko wtedy, gdy napięcie przekroczy określoną granicę. Małe napięcia ze ścieżek pasożytniczych są przez selektor blokowane. Ponieważ selektor można wykonać w postaci dodatkowej warstwy pomiędzy spodnią elektrodą BE a dielektrykiem, to rozmiar matrycy pamięci dalej może być wyznaczony przez rozmiar jednej komórki. Podobnie jak skonstruowany jest selektor typu Ovonic. Praktyczny przełącznik progowy typu Ovonic (OTS) jest zazwyczaj wytwarzany w postaci dwuzaciskowej struktury warstwowej typu metal–izolator/chalkogenek–metal (MIM), w której warstwę środkową stanowi amorficzny półprzewodnik chalkogenkowy.  Półprzewodnik chalkogenkowy jest także stosowany w innym type pamięci nieulotnej PCM, ale jego działanie jest tam inne.

W OTS testowano różne składy materiałowe, na przykład materiały na bazie układów Ge–Se oraz As–Te–Ge–Si. Warstwa tego materiału jest także bardzo cienka i amorficzna.

No to teraz czas na zastosowania pamięci RRAM (ReRAM).

Pierwszą i jedną z dwóch najbardziej przyszłościowych zastosowań jest wykorzystanie tej pamięci w obliczeniach związanych ze sztuczną inteligencją AI:

• Wnioskowanie z wykorzystaniem sieci neuronowych;
• Akceleratory Edge AI;
• Obliczenia neuromorficzne;
• Analogowe obliczenia w pamięci (analog Compute-in-Memory, CiM).

Przyjrzyjmy się bliżej temu ostatniemu czyli obliczeniom w pamięci. Pamięć ReRAM (Resistive RAM) pozwala na wykonywanie obliczeń bezpośrednio tam, gdzie przechowywane są dane. Kluczem do tego rozwiązania jest wykorzystanie prostych praw fizyki (prawa Ohma i prawa Kirchhoffa) wewnątrz matrycy pamięci.

W tradycyjnej architekturze komputerowej (von Neumanna) dane ciągle krążą między procesorem a pamięcią, co zużywa mnóstwo energii i ogranicza prędkość (tzw. wąskie gardło von Neumanna). W CiM na bazie ReRAM matryca pamięci staje się jednocześnie procesorem, co idealnie sprawdza się w sztucznej inteligencji (sieciach neuronowych), gdzie dominują operacje mnożenia macierzy przez wektor (MVM – Matrix-Vector Multiplication).

Krok 1: Przechowywanie wag (Mnożenie -> Prawo Ohma): Wartości wag sieci neuronowej są zapisywane jako przewodność elektryczna (G) poszczególnych komórek ReRAM. Gdy na linię słowa (Wordline – WL) podamy napięcie (V) reprezentujące dane wejściowe, przez komórkę płynie prąd (I). Zgodnie z prawem Ohma:

I = V x G

W ten sposób mnożenie wejścia przez wagę dzieje się natychmiastowo i analogowo.

Krok 2: Sumowanie wyników (Sumowanie -> Prawo Kirchhoffa): Komórki w tej samej kolumnie (Bitline- BL) są ze sobą połączone. Prądy z poszczególnych komórek spływają do jednej linii i samoczynnie się sumują, zgodnie z prądowym prawem Kirchhoffa:

Isuma = ∑ ( Vi x Gi )

Dzięki temu wynikowy prąd na końcu kolumny jest gotowym rezultatem operacji mnożenia macierzy przez wektor. Cały proces przebiegł wewnątrz pamięci, bez angażowania procesora w obliczenia, dlatego mówimy o Computing-in-Memory.

Drugim zastosowaniem jest RRAM jako pamięć wbudowana, np. w mikrokontrolerach.

Temu zagadnieniu jest poświęcony raport firmy Yole z czerwca tego roku.

Wg tej firmy, wśród nowych rodzajów pamięci nieulotnych wartość rynku, gdzie stosowana jest wbudowane pamięć ReRaM (eReRAM), wynosi ok. 90 mln USD (30% rynku) – dane za rok 2025. Do roku 2031 rynek powinien rosnąć w tempie aż 56% rocznie, ale pamięć eReRAM ma osiągnąć aż 50% rynku, czyli jego wartość będzie wynosić 2,05 mld USD, co daje roczny wzrost ponad 68%. Moim zdaniem może to być nawet więcej, ale dlaczego właśnie w częściach poświęconych rynkowi oraz kluczowym graczom na tym rynku?

Dwa czynniki technologiczne przemawiają za tym, by pamięć eReAM wyparła pamięć eFlash z mikrokontrolerów. Pierwszy to jej skalowalność. Pamięci eFlash są wykonywane do technologii 28 nm. Nowa pamięć RRAM może być wykonywana do 22nm, a nawet mniejszych rozmiarów, rzędu 10nm.  Drugi to zgodność z technologią CMOS, w jakiej wykonywane są mikrokontrolery. By zintegrować pamięć eFlash z mikrokontrolerem, potrzeba od 7 do 16 dodatkowych masek, a tym samym kilkadziesiąt dodatkowych procesów technologicznych. W przypadku pamięci eReRAM (eRRAM) potrzeba tylko 2 masek. To znacznie upraszcza proces technologiczny, co w obecnych czasach ma ogromne znaczenie. Oznacza to mniejsze koszty, wyższy uzysk i mniejsze obciążenie linii technologicznej wytwarzającej chip mikrokontrolera.

Porównanie różnych technologii przedstawia rysunek zaczerpnięty z raportu firmy Yole.

Inne aplikacje gdzie może być zastosowana pamięć RRAM to:

• urządzenia IoT wymagające kompaktowej, energooszczędnej i nieulotnej pamięci;
• systemy bezpieczeństwa, w tym wyposażone w tzw. sprzętowe niepowielalne funkcje (PUF – Physically Unclonable Function ) – ReRAM PUF, tworzy unikalny identyfikator za pomocą losowych zmian rezystancji elektrycznej materiałów w skali nano
• inne zastosowania w “security”
• automotive

Rynek pamięci RRAM

A teraz przyjrzyjmy się rynkowi pamięci RRAM. Budzi on zainteresowanie, ze względu na zapotrzebowanie obejmujące wbudowane pamięci nieulotne, obliczenia związane ze sztuczną inteligencją, urządzenia IoT oraz nowe technologie pamięci.

Szacunkowe dane, dotyczące wielkości tego rynku, znacząco się jednak różnią, w zależności od firmy analitycznej. Wynika to częściowo z odmiennych definicji rynku, kategorii produktów oraz założeń przyjętych przy prognozowaniu. Dużą trudnością jest bowiem policzenie wartości rynku dla pamięci wbudowanych.

Firma Yole oszacowała wielkość rynku w roku 2025 – tylko dla pamięci wbudowanej eReRAM – na około 90 mln USD. Jej prognoza pokazuje, że do roku 2031 rynek ten będzie rósł w tempie aż 68% rocznie.

Inne firmy szacują wartość całego rynku w 2025 roku od 0,63 mld USD do 0,91 mld USD, a więc znacznie więcej niż firma Yole. Przewidywany wzrost do roku 2030/31 wynosi od 10 do 17%, co daje średnio w roku 2030 wartość rynku na poziomie 2,3 mld USD. To nie tak dużo, ale też i niemało. Moim zdaniem rynek tych pamięci może być znacznie większy, ze względu na zastosowania o których pisałem powyżej.

Spektakularny wzrost

Obecnie rynek podzespołów półprzewodnikowych związanych AI rośnie szybciej niż ktokolwiek przewidywał przed rokiem 2023. W pamięciach wszystkich typów ten wzrost jest spektakularny. W roku 2025 pamięci wszystkich typów stanowiły tylko 27% całego rynku podzespołów półprzewodnikowych. Obecnie stanowią już ponad 54%, a w przyszłym roku mają osiągnąć udział w rynku 55-57% (dane wg. firmy analitycznej Gartner z sierpnia-2026). Oczywiście gro tego wzrostu jest spowodowane ogromnym wzrostem cen, ale mimo wszystko pokazuje to, jak ważne są pamięci półprzewodnikowe w całym rozwoju przemysłu elektronicznego, nie tylko półprzewodnikowego.

Wg firmy analitycznej Global Market Insights (GMI), do roku 2034 rynek pamięci RRAM urośnie do prawie 3,8 mld USD, w tempie ok. 17% rocznie. Dwa najważniejsze zastosowania, o których pisałem powyżej, zajmą ponad 50% rynku,  co już daje wartość blisko 2 mld USD.

Kluczowi dostawcy… tylko czego?

To pytanie z podtytułu ma bardzo duże uzasadnienie. Przyjrzyjmy się 6 największym firmom na rynku pamięci Resistive RAM.

Panasonic

Wg. Global Market Insights (GMI) to lider tego rynku z udziałem ok. 20%. Panasonic odegrał kluczową, pionierską rolę na globalnym rynku pamięci ReRAM (Resistive Random-Access Memory). Choć technologia ta przez lata była rozwijana głównie w laboratoriach, to właśnie japoński gigant jako pierwszy na świecie wprowadził ją do masowej produkcji komercyjnej.

W roku 2013 jako pierwsza firma na świecie, Panasonic rozpoczął produkcję mikrokontrolerów. To seria MN101LR przeznaczona do zaawansowanych zastosowań przemysłowych, już wycofana z produkcji, ale ciągle dostępna u niektórych dystrybutorów katalogowych i brokerów. Kontroler miał na pokładzie 64kb pamięci ReRAM i był wykonany w technologii 180 nm.

W roku 2016, we współpracy z firmą Fujitsu, Panasonic wyprodukował dużą pamięć 4Mb, o bardzo małym prądzie odczytu, idealną do zastosowań bateryjnych i IoT.  Ten produkt także nie jest już produkowany.

W roku 2019, we współpracy z tajwańskim foundry UMC, japońska firma opracowała technologię RRAM 40 nm, ale nie została wdrożona do masowej produkcji.

W ostatnich latach Panasonic przeszedł duże zmiany i obecnie w tym segmencie zajmuje się głównie sprzedażą IP (własności intelektualnej), licencjonowaniu technologii. Jako warstwę dielektryka stosował tlenek tantalu.

Obecnie Panasonic zajmuje się tylko sprzedażą IP, dlatego trudno mi uwierzyć, że w roku 2024, jak podaje GMI, ta firma miała aż 20% rynku ReRAM (RRAM).

Fujitsu

To druga firma ważna dla rynku nowych pamięci nieulotnych. Stała się światowym liderem w dostarczaniu autonomicznych układów ReRAM (stand-alone) do 12Mb dla rynku masowego. Firma produkuje także pamięci FRAM. Najważniejszą aktualizacją jest fakt, że 1 stycznia 2025 roku Fujitsu Semiconductor Memory Solution zmieniło nazwę na RAMXEED Limited. Pod tą marką oferowane są obecnie jej produkty. Historycznie Fujitsu rozwijało swoją technologię masową pamięci nieulotnych (proces 180 nm). W dalszym etapie, aby uzyskać większą gęstość upakowania, opracowano zaawansowany proces 45 nm. Podobnie jak Panasonic,  Fujitsu postawiło na stabilną technologię opartą o tlenek tantalu.

Crossbar Inc.

To amerykańskie przedsiębiorstwo branży półprzewodnikowej z siedzibą w Santa Clara w Kalifornii. Jest pionierem w rozwoju technologii pamięci ReRAM (Resistive RAM). Powstało w 2010 roku na Uniwersytecie Michigan. Ujawniło opracowaną technologię RRAM dopiero w roku 2013.

Firma zgromadziła potężne portfolio patentowe w dziedzinie przechowywania informacji. Jednocześnie od różnych Venture Capitals pozyskała ponad 120 mln USD na swoją działalność. Zasadniczym osiągnięciem technologicznym Crossbar Inc. jest pamięć ReRAM oparta na warstwach jonów srebra, typu CBRAM. Technologia firmy umożliwia budowanie struktur 3D, aż do 1Tb pojemności w jednej pamięci. Crossbar Inc. jest firmą typu fabless (bez własnych fabryk), co oznacza, że projektuje układy scalone i rozwija architekturę pamięci, ale samą produkcję zleca zewnętrznym partnerom kontraktowym.

Głównym partnerem produkcyjnym była chińska firma SMIC. Produkowano tam pamięci w technologii 40 nm i przygotowywano produkcję w technologii 28 nm. Niestety, wojna handlowa oraz napięcia geopolityczne między USA a Chinami drastycznie zmieniły realia współpracy amerykańskich firm projektowych (fabless) z chińskimi foundry półprzewodników, w tym z SMIC. Rząd USA umieścił SMIC na tzw. Entity List. Oznacza to, że amerykańskie firmy nie mogą swobodnie eksportować, transferować ani licencjonować zaawansowanych technologii do tej chińskiej fabryki bez uzyskania specjalnej, niezwykle trudnej do zdobycia licencji od Departamentu Handlu USA. To spowodowało, że model biznesowy firmy Crossbar Inc. legł w gruzach. W odpowiedzi na te problemy, firma musiała rozpocząć współpracę z amerykańskimi, europejskimi czy tajwańskimi foundry. Swoje produkty dedykuje głównie na rynek amerykański (defence), akcentując odporność pamięci ReRAM na ataki fizyczne i cybernetyczne (układy kryptograficzne PUF) oraz promieniowanie.

Podobnie jak inne firmy oferujące rozwiązania nowych pamięci nieulotnych, licencjonowała swoje IP do firm z sektora aerospace/defence np. Microsemi (maj-2018). Wówczas Microsemi zostało kupione przez Microchip Technology. Nie znalazłem na stronie nowego właściciela jakiejkolwiek wzmianki o ReRAM,  RRAM czy CBRAM. Wygląda na to, że Microchip Technology rozwija swoje rodzaje pamięci i zrezygnował z kontynuowania produkcji opartej na technologii Crossbar Inc.

Adesto Technologies

Ta amerykańska firma została założona w 2006 roku. Opracowała energooszczędną technologię CBRAM (Conductive Bridge RAM), rodzaj pamięci RRAM.

• Rok 2010: Adesto przejmuje od firmy Qimonda, wcześniej cześć firmy Infineon Technologies odpowiedzialnej za produkcję pamięci, prawa własności intelektualnej (IP) do technologii CBRAM;
• Rok 2018: Adesto udziela licencji technologii CBRAM dla koreańskiej foundry DB HiTek.
• Rok 2020: Dialog Semiconductor przejmuje Adesto, a technologia CBRAM trafia na zasadzie licencji do GlobalFoundries.
• Rok 2021: Dialog Semiconductor został przejęty przez Renesas Electronic, który integruje produkty dawnego Adesto w swoim portfolio.
• Rok 2023: Renesas sprzedaje IP dawnego Adesto firmie GlobalFoundries i tam też planuje produkować podzespoły w których wykorzystywana jest ta technologia. Oczywiście GlabalFoundries ma prawa do dalszego rozwijania tej technologii i używania jej jako pamięci wbudowanej w produktach produkowanych dla innych firm.

Renesas nie ma obecnie w swoim portfolio produktów z CBRAM. Oferuje to rozwiązanie jako pamięć wbudowaną w ASIC-ach. Produkcja przeszła do foundry, prawdopodobnie w GlobalFoundries. Oczywiście o ASIC-ach trudno otrzymać jakiekolwiek pewne informacje.

Weebit Nano

Firma opracowuje, a następnie sprzedaje własność intelektualną IP. Jest też licencjodawcą zaawansowanych technologii pamięci półprzewodnikowych. Specjalizuje się w technologii Resistive Random-Access Memory (ReRAM/RRAM), która może zastąpić pamięci NAND flash (zwłaszcza wbudowane pamięci eFlash). Umożliwia pokonanie barier technologicznych związanych ze skalowaniem poniżej 28 nm.

Kroki milowe w rozwoju firmy:

• Rok 2015: Założenie firmy w Izraelu (obecna siedziba główna mieści się w Hod HaSzaron). Od samego początku kluczowym partnerem badawczo-rozwojowym (R&D) firmy stał się prestiżowy francuski instytut technologiczny CEA-Leti
• Rok 2016: Wejście na giełdę w Australii (ASX: WBT) w wyniku procesu odwróconego przejęcia.
• Rok 2018 i w latach kolejnych: Dopracowanie technologii opartej na tlenku krzemu (SiOx). Jest to jest istotne, ponieważ ta technologia jest kompatybilna z CMOS
• Rok 2022: Weebit Nano otrzymało pierwsze gotowe płytki  krzemowe ze strukturami ReRAM, wyprodukowane w komercyjnej fabryce SkyWater Technology w USA (trochę mniej znane foundry).
• Rok 2023: Umowa licencyjna z koreańskim foundry DB HiTek – technologia 130 nm
• Rok 2025/2026: Pomyślne testy zastosowania tej pamięci na platformie technologicznej Treo, technologia 65 nm, w firmie onsemi w jej fabryce w USA.
  Umowa licencyjna z Texas Instruments. We współpracy z GlobalFoundries i CEA-Leti, firma Weebit Nano pracuje nad technologią 22 nm.

Jak już wcześniej wspomniałem, Weebit Nano ma technologię bazującą na tlenku krzemu (SiOx), która wymaga tylko dwóch dodatkowych masek dla implementacji tej pamięci w systemach wbudowanych np. w mikrokontrolerach. Ta zgodność technologiczna z technologiami CMOS oraz brak konieczności stosowania mocno nietypowych procesów technologicznych spowodował bliską współpracę lub sprzedaż IP do dużych firm  IDM produkującymi układy analogowe i cyfrowe (Texas Instruments i onsemi) oraz to samo z  kilkoma foundry (DB HiTek i GlobalFoundries).

4DS Memory Limited

Dla tej firmy nie będę opisywał kluczowych momentów, ponieważ obecnie firma przechodzi duże problemy. Notowana na giełdzie w Australii, została założona w 2007 roku, wraz z zapleczem badawczo-rozwojowym w Dolinie Krzemowej. Kluczowym obszarem jej działalności jest rozwój autorskiej,  pamięci nieulotnej znanej jako Interface Switching ReRAM (nie-filamentowa pamięć ReRAM, oparta na materiale PCMO – odmiana perowskitów). W latach 2017-2018 firma współpracowała nawet z imec.

W latach 20 bieżącego stulecia 4DS Memory Limited napotkała ogromne problemy technologiczne i we wrześniu 2025 ogłosiła całkowite wstrzymanie prac rozwojowych. Obecnie próbuje uruchomić ponownie swój biznes w oparciu o firmy półprzewodnikowe z Indii i bazując na dobrej koniunkturze w AI. Jej wartość na giełdzie spadła do 7,8 mln USD. Aktywa wynoszą kilkadziesiąt patentów w USA. Kompletna niekompatybilność tej technologii z technologią CMOS, moim zdaniem nie wróży sukcesu tej firmie.

Dlaczego aż dwie firmy, jedna z Izraela (WeebitNano) a druga z USA (4DS Memory), są notowane na giełdzie australijskiej? Wydawało mi się to dziwne, ale okazało się proste.

Firma WeebitNano weszła na giełdę australijską na początku 2016 roku, w wyniku tzw. procesu odwrotnego przejęcia (ang. Reverse Takeover – RTO, lub częściej Reverse Merger). To alternatywna metoda wchodzenia spółki na giełdę papierów wartościowych bez przeprowadzania pierwszej oferty publicznej (IPO). W uproszczeniu – zamiast przechodzić przez długi proces debiutu giełdowego, prywatna spółka łączy się z już notowaną na giełdzie spółką publiczną, która zazwyczaj nie prowadzi aktywnej działalności operacyjnej (jest tzw. „wydmuszką giełdową”, ang. shell company).

W przypadku WeebitNano była to firma Radar Iron, której wartość w momencie przejęcia była mniejsza niż 10 mln USD. Wg. ostatnich notowań wartość WeebitNano wynosi ok. 470 mln USD, a w momencie ogłoszenia sprzedania licencji do Texas Instruments skoczyła nawet to 1,4 mld USD. Oczywiście spółka przejmowana musi chcieć być przejęta.

Dlaczego ta forma jest wejścia na giełdę jest atrakcyjna? Jest szybsza od tradycyjnej, mniej kosztowna, są mniejsze wymogi organów regulacyjnych giełdy. Co jest oczywiste, bo tak naprawdę reaktywuje się działalność firmy, która jest na giełdzie. Pozwala to na wejście na giełdę w dowolnym momencie, nawet podczas bessy. Czy nie ma wad? Jest jedna – nie pozyskujemy od razu kapitału, trzeba się wykazać by akcje nowej firmy znacząco wzrosły. W przypadku firmy WeebitNano stało się to dopiero w połowie roku 2020, ale można powiedzieć że firma odniosła sukces, co nie udało się 4DS Memory. I tutaj jest kolejne pytanie:

Dlaczego australijska giełda jest tak popularna?

Australijska Giełda Papierów Wartościowych jest globalnym fenomenem pod względem liczby przeprowadzanych transakcji RTO (odwrotnych przejęć). Wynika to bezpośrednio ze specyfiki tamtejszej gospodarki oraz unikalnej konstrukcji rynku kapitałowego:

• Australia to potęga surowcowa. Na giełdzie notowane są setki małych spółek poszukiwawczych (tzw. junior miners). Przemysł ten cechuje się ogromnym ryzykiem – większość takich firm realizuje projekty, które kończą się niepowodzeniem, bo nie odkrywają złóż np. złota czy litu. W efekcie na giełdzie stale krążą dziesiątki giełdowych „wydmuszek”, które posiadają status spółki publicznej, ale nie prowadzą żadnej działalności i – co ważne – są tanie.
• Gdy młoda firma technologiczna, taka jak WeebitNano, szuka szybkiego finansowania, nie musi przechodzić przez kosztowne i żmudne tradycyjne IPO. Przejmuje jedną z upadłych, tanich spółek górniczych, błyskawicznie zyskując status spółki publicznej.
• W Australii inwestorzy detaliczni są bardzo otwarci na ryzykowne projekty technologiczne oraz spekulacyjne spółki na wczesnym etapie rozwoju. RTO daje młodym biznesom błyskawiczny dostęp do tego płynnego, lokalnego kapitału.

GPW w Warszawie

I na koniec kilka słów o GPW w Warszawie. W Polsce ta forma przejęcia nie jest popularna, ze względu na regulacje. Najsłynniejsze przejęcie typu RTO to przejęcie Optimusa przez CD Project (2009/10). Dla ułatwienia wejścia na giełdę młodym firmom deep-tech, utworzono osobny parkiet New Connect, gdzie zasady wejścia są prostsze, a koszty mniejsze, niż na główny parkiet GPW.

No i teraz czas jest na ponowne przyjrzenie się rynkowi. W tabeli poniżej są zebrane ogólne informacje o firmach opracowujących nowe technologie ReRAM lub je produkujących.

Jak z tego zestawienia widać, tylko Ramxeed (Fujitsu) produkuje pamięci RRAM. Pozostałe firmy albo zaprzestały działalności w tym segmencie rynku, albo oferują tylko IP umożliwiające wykonywanie takich pamięci. Najaktywniejsza firmą oferującą IP jest WeebitNano która aktywnie pozyskuje partnerów do produkcji, głównie pamięci wbudowanych zastępująceych pamięć eFlash w mikrokontrolerach lub innych układach scalonych. Jak już pisałem, dużą zaletą rozwiązania WeebitNano jest kompatybilność z technologią CMOS i niższe koszty implementacji w np. mikrokontrolerze (mniej masek i procesów technologicznych niż dla procesu eFlash).

Dane analityczne

No i tutaj rodzi się pytanie o liczby przedstawiane przez firmy analityczne. Mam co do nich duże wątpliwości. Przyjrzyjmy się tym prezentowanym przez GMI (Global Market Insights).

Rynek pamięci RRAM w roku 2024 firma ta oszacowała na 787 mln USD. W 2025 roku na 910 mln USD, co daje wzrost rok do roku 15,6%.  Podaje także, że w roku 2024 udział firmy Panasonic w rynku wynosił 20%, co daje wartość bezwzględną ponad 157 mln USD. Już pisałem jak trudno mi uwierzyć, że tylko ze sprzedaży IP dla ReRAM Panasonic uzyskał obroty ponad 157 mln USD. Dla 5 kluczowych firm (bez Adesto/Renesas), firma analityczna GMI szacuje 66% udziału w rynku, co daje wartość ponad 519 mln USD. Bez Panasonic, cztery firmy musiałyby uzyskać aż 362 mln USD. Spółki giełdowe, które tylko tym się zajmują, jak chociażby WeebitNano, miał w 2024 roku obroty mniejsze niż 1 mln USD, a 4DS Memory zarobił tylko 16 tys USD. Microchip nie produkuje tego rodzaju pamięci. Zostaje nam Ramxeed (w 2024 roku to jeszcze było Fujitsu), który musiał osiągnąć ok. 361 mln USD ze sprzedaży ReRAM. Ramxeed nie jest spółką giełdową jako samodzielny podmiot. Takie obroty oczywiście są możliwe, ale moim zdaniem mało prawdopodobne.

Czy rynek będzie się tak dynamicznie rozwijał, jak to przewiduje Yole i GMI, czas pokaże. Moim zdaniem warto śledzić postępy WeebitNano i tego, co oferują foundry, bo wydaje mi się, że to kluczowe firmy, które mogą spowodować istotne zmiany na rynku RRAM (ReRAM).

Przykładem jest Nordic Semiconductor która korzysta z foundry TSMC i GlobalFoundries do produkcji swoich układów SoC serii nRF54L w technologii 22 nm.

Na wcześniejszym rysunku z Yole widać, że obie oferują pamięć RRAM. Poniżej schemat blokowy SoC nRF54L z Nordic Semiconductor. Pamięć RRAM w tym układzie jest także w technologii 22 nm.

W tym przypadku wspomniałem o TSMC jako foundry które ma technologię RRAM. Obecnie tajwański producent oferuje tą technologię o węzłach 28 i 22 nm, a w opracowaniu są kolejne, aż do 6 nm włącznie. Dielektrykiem jest tam tlenek hafnu HfOX.

Z informacji prasowej z 2022 roku wiadomo, że Infineon Technologies korzysta z technologii TSMC RRAM 28nm w swoim produkcie Automotive AURIX™ TC4x.

Jest oczywiście więcej firm działających w tym segmencie. Zainteresowanych tym rynkiem odsyłam do linku.

Podsumowanie

Rynek już został w jakimś stopniu podsumowany. Czas na przedstawienie zalet i wad technologii pamięci ReRAM (RRAM) i porównania tego rodzaju pamięci z klasycznymi pamięciami (DRAM, SRAM czy NAND Flash).

Tabela poniżej przedstawia podstawowe parametry dla różnych technologii wykonania pamięci. Kolory określają, która pamięć dominuje w danym parametrze (zielony), a która ma ten parametr najsłabszy (czerwony). Nie wszystkie parametry można wprost porównać, dlatego są puste miejsca. Preferowana była nieulotność pamięci, dlatego jest zaznaczona na zielono. Teraz kilka słów komentarza do każdego z parametrów.

Rozmiar komórki pamięci jest wyrażony jako wielokrotność F2, gdzie F to rozmiar technologii np. F=28 nm. Takie podejście pozwala na porównywanie pamięci dla tej samej technologii np. wspomnianej 28 nm. Pamięć SRAM jest największa, ponieważ komórka składa się minimum z 6 tranzystorów. W przypadku zaawansowanych technologii np. wspomnianej technologii 28 nm i przy niskim napięciu zasilania (1,2-1,8V), komórka ma od 8 do 10 tranzystorów. Pamięć DRAM – o ile tranzystor możemy zmniejszać, o tyle kondensator – mimo że jest umieszczony wertykalnie – już nie. Z tym wiąże się skalowalność. Pominąłem w tym parametrze pamięci SRAM i DRAM ,a porównanie jest tylko dla pamięci RRAM i Flash.

W pamięci Flash, nie jest istotne czy to NAND, czy NOR, nie możemy tranzystora zmniejszać poniżej 28nm, ponieważ ładunek na pływającej bramce byłby zbyt mały, a określa on stan komórki pamięci. To oraz zgodność z technologią CMOS ma szczególnie istotne znaczenie dla pamięci wbudowanych np. w mikrokontroler.

Dla pamięci ReRAM potrzebujemy tylko 2 dodatkowe maski a dla pamięci Flash od 7 do nawet 16. Już o tym pisałem, że ta zaleta upraszcza technologie i obniża koszty wytworzenia chipa. W przypadku mikrokontrolerów wykonanie wbudowanej pamięci Flash wymaga od 25 do nawet 33% procesów technologicznych więcej.

Pamięci RRAM mają jeszcze jedną zaletę, którą trudno dostrzec. W technologii przyrządów półprzewodnikowych rozróżnia się dwa etapy produkcji Front-end, czyli wytworzenie chipa i Back-end czyli montaż w obudowę. Ale etap wytwarzania chipów też podzielono na dwa etapy. FEOL (Front-End-of-Line) i BEOL (Back-End-of-Line) to dwa główne, następujące po sobie etapy w procesie produkcji układów scalonych (chipów) na płytkach krzemowych. Różnica między nimi polega na tym, że FEOL odpowiada za stworzenie samych elementów aktywnych (np. tranzystorów), a BEOL za połączenie ich siecią wielopoziomowej metalizacji, aby mogły ze sobą współpracować. Pamięć RRAM można wytwarzać na etapie BEOL.

Oznacza to, że nie ingerujemy w proces wytwarzania tranzystorów. Może nie ma to tak dużego znaczenia dla czystych układów cyfrowych, ale gdy już w mikrokontrolerze są elementy analogowe, czujniki lub jest to technologia BCD (Bipolar-CMOS-DMOS), to ingerencja w proces technologiczny mogłaby wpłynąć na parametry chipu. Pewnie można by sobie z tym poradzić, ale wymagałoby to kompromisów technologicznych, co nigdy nie jest optymalnym rozwiązaniem.
Pamięć RRAM jest prawie tak szybka, no ale niewątpliwie wolniejsza, jak pamięc SRAM. Ten dłuższy czas zapisu (bliżej 50 ns) raczej odnosi się do tzw. etapu formowania pamięci RRAM o którym pisałem wcześniej.

Szersze zastosowanie dla pamięci RRAM

Pamięć RRAM (ReRAM) wkrótce może znaleźć szersze zastosowanie, szczególnie za sprawą współpracy firmy WeebitNano z Texas Instruments i onsemi. Jak również działalność w tym segmencie znaczących na rynku foundry (Nordic Semiconductor, Infineon Technologies korzystają z usług foundries .

Niewątpliwe zalety tej pamięci i jej dojrzałość technologiczna, w tym spełnianie normy AEC-Q101 (automotive), pomogą w popularyzacji tego rodzaju pamięci.

CEZAMAT pracuje nad technologią RRAM

We współpracy międzynarodowej, między innymi z francuskim CEA-Leti, CEZAMAT PW pracuje na technologią RRAM i jej zastosowaniami. Czy to mogłaby być polska specjalność? Myślę, że tak, ponieważ do produkcji tej pamięci dla niektórych zastosowań nie potrzeba najbardziej zaawansowanych technologii. Ta działalność jest naukowa, ale niewiele – moim zdaniem – potrzeba, żeby dało się wyniki tych prac skomercjalizować.

---

Przy pisaniu tego artykułu korzystałem z ogólnie dostępnych materiałów oraz informacji prasowych firm Weebit Nano, onesmi, Everspin, Nordic Semiconductor i innych. W szczególności zaglądałem do:

[1] Investigation of Single-Bit and Multiple-Bit Upsets in Oxide RRAM-Based 1T1R and
Crossbar Memory Arrays; Rui Liu, Debayan Mahalanabis, Student Member, IEEE, Hugh J. Barnaby, Senior; Member, IEEE, and Shimeng Yu, Member, IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE, VOL. 62, NO. 5, OCTOBER 2015;
[2] Emerging Memory Technologies, Dr. Saumya Srivastava ; ISBN 9898175508452;
[3] Ogólnie dostępne dane firmy Yole Group (Emerging Non-Volatile Memory 2026);
[4] Portal z informacjami o RRAM.