De MEMRISTOR nieuw fundamenteel component

quote:

IMEC to detail memristor progress at VLSI Symposia
R. Colin Johnson

PORTLAND, Ore.— The Interuniversity Microelectronics Centre (IMEC) will report next month on progress to make its memristor variation, called resistive-RAMs (RRAM), the dominate memory technology in four papers at the VLSI Symposia in Honolulu.

At the Symposia June 12 to 15, IMEC (Leuven, Belgium), which claims RRAM will be ready for reliable mass production below 20 nanometers, will describe its cross-bar architecture. IMEC claims the architecture is denser, faster and lower-power than flash, but suitable to replace any memory type, including DRAMs.

IMEC and other research groups backing variations of the memristor claim that, in the future, a single universal memory technology will replace flash memory and all vintages of random-access memories. The memristor was invented by by professor Leon Chua at the University of California-Berkeley and has been championed by Hewlett-Packard Co.

"HP is using the term memristor to describe a device which has certain I-V characteristics," said Malgorzata Jurczak, program manager memory devices at IMEC. "But such I-V characteristics are typical to any RRAM cell using oxygen vacancy migration in transition metal oxide."

HP is sandwiching titanium-oxides in its memristive crossbar arrays, but at VLSI Symposia IMEC will describe using hafnium-oxide and other formulations for its RRAMs. In addition, there are two different ways of performing the resistive switching, using interfacial modification where oxygen vacancies are migrated either towards or away from the interface, thus modulating the tunneling barrier between the electrode and the conductive part of the oxide. Alternatively, filamentary switching aligns the oxygen vacancies in a conduction path which can be ruptured or established by oxygen vacancy migration. Either way, the advantage is the same—ultra-high density cross-bar arrays that use programming voltages to migrate oxygen vacancies, thereby changing the resistance of the bit-cell in a non-volatile manner.

"HP is claiming to using interfacial type of switching," said Jurczak. "But in our papers we are using filamentary switching."

IMEC will report that it has achieved ultra-fast sub-nanosecond programming times and ultra-low power sub-500 nanoamp operating currents using filamentary switching. IMEC will also report improved bit-cell reliability by virtue of its sophisticated materials stack engineering.

"We are overcoming the scaling limitations of conventional flash memory cells," said Jurczak. "Major memory players joined our research program on emerging memory technologies, proving the value of our RRAM research to the global industry."

Summary titles of IMEC's four papers are: "Dynamic ‘Hour Glass’ Model for Set and Reset in Hafnium Oxide RRAM," "Ultralow sub-500nA Operating Current in High-Performance Bipolar RRAM Achieved Through Understanding-Based Stack-Engineering," "Process-Improved RRAM Cell Performance and Reliability and Paving the Way for Manufacturability and Scalability for High Density Memory Application," and "Field-Driven Ultrafast sub-ns RRAM Programming."

quote:

Intel bouwt chip die hersenen nabootst

Door Bauke Schievink, maandag 18 juni 2012

Intel heeft een chip gemaakt die op vergelijkbare wijze werkt als het neurale netwerk in de hersenen. Zo zorgen de componenten in de chip er onder meer voor dat een elektrisch signaal net als bij neuronen via pulsen worden doorgestuurd.

De technologie is gebaseerd op lateral spin valves en memristors. De eerstgenoemde zijn kleine magneetjes die hun magnetisch veld van richting kunnen laten veranderen op basis van de spin van elektronen. Tezamen met memristors, weerstanden met geheugen, levert dit een circuit op waarin de elektrische signalen niet met een constante spanning worden doorgestuurd, maar juist pulserend werken.

Volgens de onderzoekers, die werkzaam zijn bij Intel, werken de spin valves in de chip op een aanzienlijk lagere spanning dan conventionele chips. De benodigde spanning is volgens de makers uit te drukken in millivolts, net als de neuronen in de hersenen. Uiteindelijk moet een dergelijk systeem, dat een neuromorphic chip wordt genoemd, het stroomverbruik kunnen terugdringen met een factor 15 tot 300 ten opzichte van conventionele chips.

In de hersenen worden ook elektrische circuits gevormd, waarvan neuronen de basis zijn. Zij vormen een elektrisch systeem waarin zij na activiatie signalen in pulsvorm doorsturen. Daarbij wordt een sterker signaal weergegeven door een hogere frequentie van elektrische prikkels. Uiteindelijk worden de signalen geïntegreerd in het centrale zenuwstelsel, waarvan het brein het hoofdbestanddeel is.

De door Intel ontworpen chip kan ingezet worden om rekenkernen mee te maken die op vergelijkbare wijze werken als de hersenen, waardoor simulatie gemakkelijker wordt. Dergelijke systemen kunnen worden ingezet om de hersenen te bestuderen, maar ook om meer rekenkracht mogelijk te maken bij een lager stroomverbruik. Wel is daarvoor meer onderzoek nodig. Hoewel een neuromorphic chip al voor hersenachtige systemen kan worden ingezet, is er meer nodig om daarvan een volledig functionerend systeem te maken.

quote:

Op maandag 18 juni 2012 15:55 schreef Ai_KaRaMBa het volgende:

[..]

Uhm, nee? Transistor en diode zijn wel fundamentele elementen. Het onderscheid zit hier tussen passieve lineare componenten en actieve non-lineare componenten (halfgeleiders). Een memristor is geen passief linear component, en zal dus ook niet in dat rijtje passen.

Verder is een natuurkundige eenheid van memristor ook kolder als ik je verhaal goed begrijp, want je kan dmv een instelstroom (ampere) boven drempelspanning (volt) de weerstand (ohm) onder de drempelspanning instellen. Dat is dus prima uit te drukken als een verband tussen de andere grootheden, en daar hoeft dus geen nieuwe grootheid voor bedacht te worden lijkt me...

quote:

Op maandag 18 juni 2012 18:20 schreef Ai_KaRaMBa het volgende:
Ik bedoelde component idd; maar feit blijft dat die menristor ook een halfgeleider is, net als de transistor en diode. toch?

edit: artikel bekeken, en daar noemen ze het ook "basic element"... dubieus ?!

quote:

Aren't there other fundamental passive devices that don't add energy to a circuit? What about diodes?


No, there are only four fundamental types of passive circuit elements. Diodes are just non-linear resistors - the resistance of a diode changes with the applied voltage, but if you turn off the voltage and start back at 0 volts, the resistance of the diode is the same as it was before at 0 volts, not what it was when the voltage was turned off. This is also true of a resistor that heats up and increases its resistance because of a temperature increase. Thus, neither a diode nor a heated resistor 'remember' their history. However, each type of fundamental circuit element is actually a family of devices with essentially an infinite number of higher order members. To see all the members of the four families of fundamental devices, see the following paper: Leon O. Chua, "Nonlinear Circuit Foundations for Nanodevices, Part I: The Four-Element Torus," Proc. IEEE 91, 1830-1859 (2003). This is a very educational paper, but requires a significant investment in effort to appreciate. Note: Part II has not appeared in the literature yet.

quote:

Pc's met nieuw geheugenelement memristor pas in 2014
AMSTERDAM - HP-computers met de memristor, een nieuw geheugenelement waardoor chips onder meer energiezuiniger en goedkoper moeten worden, zijn vertraagd tot begin 2014.

Foto: HP Dat laat het hoofd van de onderzoeksafdeling van HP weten.

In eerste instantie zouden de producten met memristors, een afkorting voor memory resistor, al in 2013 beschikbaar zijn.

De grootste pc-fabrikant wereldwijd maakte de ontdekking van het nieuwe elektronische component in 2008 al bekend en omschrijft het als 'het godselement in de elektronica'.

Geheugen

De memristor zou de opvolger van de transistor moeten worden. Door het nieuwe geheugenelement moeten processors veel energiezuiniger worden en zal het productieproces van chips goedkoper moeten zijn.

Op termijn zou de memristor zelfs het opslaan van gegevens op het werkgeheugen fundamenteel kunnen veranderen. Het component kan het werkgeheugen en vaste opslag namelijk combineren. Nu is dat nog gescheiden en worden gegevens op verschillende plekken opgeslagen.

Vervangen

De memristor kan alle gegevens op één plek opslaan en zo flashgeheuden, SSD, en RAM-geheugen vervangen. Dat levert ruimtebesparing in computers op. Ook is het geheugen dan niet meer gevoelig voor stroomuitval.

Niet alleen computers zullen profiteren van de nieuwe technologie, alle elektronische apparaten kunnen gebruikmaken van memristors.

2014

Apparaten met de nieuwe techniek komen waarschijnlijk pas in 2014 uit omdat er grote economische belangen aan de lancering verbonden zijn. Zo moet Hynix, de partner van HP bij het produceren van memristors, een flinke verandering ondergaan. Nu produceert het bedrijf bijvoorbeeld nog flashgeheugen.

quote:

Micron brengt phase change-geheugen voor mobiele apparaten uit

Micron heeft de eerste chips met phase change-geheugen voor grootschalige afname beschikbaar gemaakt. De geheugenfabrikant gaat producten leveren waarin een phase change-geheugen met een 1Gb-chip zit, gecombineerd met 512Mb ddr2.

De nieuwe geheugenchips, of correcter: packages met de pcm-chips en lpddr2-chips erin, zullen aan fabrikanten van mobiele apparatuur als laptops, tablets en mobiele telefoons geleverd worden. De packages zouden vooral geoptimaliseerd zijn voor zogeheten feature phones, later zouden geavanceerdere toestellen als smartphones en tablets volgen. Volgens Micron biedt de beschikbaarheid van de packages fabrikanten van chipsets en mobieltjes de gelegenheid hun producten te optimaliseren om van de voordelen van phase change-geheugen te profiteren.

Phase change-geheugen zou een stuk zuiniger zijn dan conventioneel geheugen en bovendien een langere levensduur hebben. Apparaten zouden onder meer sneller starten met Microns pcm-chips aan boord. Het phase change-geheugen dat door Micron ontwikkeld werd, wordt op 45nm geproduceerd. Het werkt niet zoals conventioneel geheugen door lading in condensators vast te houden en zo bits op te slaan. In pcm is het verschil in weerstand tussen een kristallijne vorm en een amorfe toestand van een speciaal materiaal verantwoordelijk voor de enen en nullen. Het geheugentype ontleent zijn naam aan de overgang tussen de twee toestanden, de phase change.

quote:

Synaptic electronic circuits that learn and forget like neural processes

mana_synaptic_electronics

(a): Volatile (short-term) memory property of two terminal device before the forming process. Current change observed by applying sequence of positive voltage pulses at intervals of 40 s and widths of 0.5 s. (b): Nonvolatile (long-term) memory property in the device after the forming process following application of a sequence of positive and negative pulses with widths of 0.1 ms. (c): Schematic illustration of the device structures before and after forming process. (Credit: MANA, NIMS)

Rui Yang, Kazuya Terabe and colleagues at the National Institute for Materials Science (NIMS), and the International Center for Materials Nanoarchitectonics (MANA) in Japan and at the California NanoSystems Institute/UCLA have developed “nanoionic” (processes connected with fast ion transport in all-solid-state nanoscale systems) devices capable of a broad range of neuromorphic and electrical functions.

Background

Such a device would allow for fabrication of on-demand configurable circuits, analog memories, and digital-neural fused networks in a single device architecture.

Synaptic devices that mimic the learning and memory processes in living organisms are attracting interest as an alternative to standard computing elements to help extend performance beyond current physical limits. However, artificial synaptic systems have been hampered by complex fabrication requirements and limitations in the learning and memory functions they mimic.

How it works

The device is based on a platinum-tungsten trioxide (WO3–x) device using oxygen ions migrating in response to voltage sweeps. Accumulation of the oxygen ions at the electrode leads to Schottky diode-like potential barriers and resulting changes in resistance and rectifying characteristics. The stable bipolar switching behavior at the platinum-tungsten trioxide-based device is attributed to the formation of a conductive filament and oxygen absorbability of the platinum electrode.

The researchers noted that the device properties* — volatile and non-volatile states and current fading following positive voltage pulses — are similar to neural behavior — that is, short- and long-term memory and forgetting processes.

The device was found to possess a wide range of time scales of memorization, resistance switching, and rectification varying from volatile to permanent in a single device.

“These capabilities open a new avenue for circuits, analog memories, and artificially fused digital neural networks using on-demand programming by input pulse polarity, magnitude, and repetition history,” the researchers conclude.

* In its initial pristine condition the system has very high resistance values. Sweeping both negative and positive voltages across the system decreases this resistance nonlinearly, but it soon returns to its original state, indicating a volatile state. Applying either positive or negative pulses at the top electrode introduces a soft breakdown, after which sweeping both negative and positive voltages leads to non-volatile states that exhibit bipolar resistance and rectification for longer periods of time.

quote:

The neuristor HP-labs

The Hodgkin–Huxley model for action potential generation in biological axons1 is central for understanding the computational capability of the nervous system and emulating its functionality. Owing to the historical success of silicon complementary metal-oxide-semiconductors, spike-based computing is primarily confined to software simulations2, 3, 4 and specialized analogue metal–oxide–semiconductor field-effect transistor circuits5, 6, 7, 8. However, there is interest in constructing physical systems that emulate biological functionality more directly, with the goal of improving efficiency and scale. The neuristor9 was proposed as an electronic device with properties similar to the Hodgkin–Huxley axon, but previous implementations were not scalable10, 11, 12, 13. Here we demonstrate a neuristor built using two nanoscale Mott memristors, dynamical devices that exhibit transient memory and negative differential resistance arising from an insulating-to-conducting phase transition driven by Joule heating. This neuristor exhibits the important neural functions of all-or-nothing spiking with signal gain and diverse periodic spiking, using materials and structures that are amenable to extremely high-density integration with or without silicon transistors.

quote:

Op donderdag 27 december 2012 16:42 schreef Senor__Chang het volgende:
tl;dr?

quote:

Onderzoeker wil memristors gebruiken voor neurale netwerken

Een Duitse onderzoeker wil een kunstmatig brein bouwen met memristors als belangrijkste bouwstenen. Dergelijke neurale netwerken zouden tot leren in staat moeten zijn. De wetenschapper wil een blauwdruk voor de bouw van kunstmatige hersenen ontwikkelen.

De Duitse onderzoeker Andy Thomas is docent aan de natuurkundefaculteit van de universiteit van Bielefield en publiceert zijn plannen voor een blauwdruk in maart in het Journal of Physics. Uitgangspunt voor de bouw van een neuraal netwerk dat tot leren in staat is, moet het gebruik van memristors zijn. Die relatief recent ontdekte elektronische bouwstenen zijn passieve elementen, net als weerstanden. Anders dan weerstanden behoudt een memristor echter zijn laatste weerstand wanneer het circuit onderbroken wordt. Aan dat geheugengedrag dankt de memristor zijn naam.

Bovendien zou een 'geheugenweerstand' die zijn laatste weerstand onthoudt, het elektronische equivalent van een synaps zijn. In hersenen zorgen synapsen voor de onderlinge verbindingen tussen neuronen. Omdat memristors in functie op synapsen lijken, wil Thomas ze inzetten als bouwstenen voor zelflerende neurale netwerken. Hun geschiktheid werd al eerder aangetoond door Thomas' eigen onderzoeksgroep en door andere onderzoekers, onder meer van Intel.

Omdat de weerstand van een memristor afhankelijk is van de stroom die er doorheen gaat, is veel meer variatie mogelijk dan bij bits; die kunnen immers alleen een 1 of een 0 representeren. Memristors fungeren meer analoog, zoals samenwerkende synapsen in hersenen dat ook doen. Bovendien zou een neuraal netwerk met memristors niet alleen in staat zijn tot leren, maar ook tot vergeten. Een dergelijk neuraal netwerk is in theorie ook te bouwen met conventionele, op transistors gebaseerde circuits, maar gebruik van passieve componenten als memristors, met hun aan synapsen analoge functie, maakt dat een stuk eenvoudiger.

quote:

Resistive RAM – A New Approach

Resistive random-access memory (RRAM) is widely hailed as the “most likely to succeed” in the race to develop a new more scalable, high capacity, high performance and reliable memory.

Typical RRAM cells are based on a switching material with different resistance characteristics sandwiched by two metallic electrodes. The switching effect of RRAM is based on the motion of ions under the influence of an electric field or heat, and the ability of the switching material to store the ion distribution, which in turn causes a measurable change of the device resistance.

Compared to traditional Flash memory, RRAM is faster, bit-alterable and requires lower voltage, enabling its use in both embedded and SSD applications. The simple RRAM cell structure offers best area efficiency (4F2 cell) and excellent scalability and 3D integration potential (both 3D stacking and vertical cell). RRAM requires lower programming currents than PCM or MRAM with comparable performance in terms of retention and endurance.

There are different approaches to implementing RRAM, based on different switching materials and memory cell organization. Those variables drive significant performance among the different materials being used.

RRAM has already been the subject of intense research and development, with several companies claiming to have prototype memory chips available in the next 1-2 years.

One of the biggest challenges for RRAM technology has been the integration of the RRAM array with standard CMOS technology and standard manufacturing processes. Crossbar RRAM technology has proven the manufacturability with a working array produced in a commercial fab. This working silicon is a fully integrated monolithic CMOS controller and memory array chip. The company is currently completing the characterization and optimization of this device and plans to bring its first product to market in the embedded SOC market.

Crossbar Technology - Real time TEM visualization of filament formation

quote:

ARM investeert in ceram-geheugentechnologie

Door Dimitri Reijerman

ARM heeft geld gestoken in Symetrix, een bedrijf dat onderzoek doet naar correlated-electron ram, een relatief nieuw type niet-vluchtig geheugen. Ceram zou verder verkleind kunnen worden dan de huidige soorten flashgeheugen.

CeramCeram kan volgens Symetrix een goede opvolger zijn van de huidige nand-flashgeheugentechnologie die niet verder verkleind zou kunnen worden dan tot een 20nm-procedé. De Ceram-technologie, een verbeterd ontwerp ten opzichte van het moeilijk te fabriceren reram, zou schaalbaar zijn tot 5nm, zo stellen de makers. Ook zou de ceram-geheugentechnologie in socs geïntegreerd kunnen worden.

ARM heeft interesse in de ceram-technologie en heeft volgens de website Electronics360 besloten om geld te investeren in Symetrix. Onduidelijk is nog hoe hoog het bedrag is, maar ARM zou belangstelling hebben om de technologie op termijn mogelijk in licentie te nemen.

Tot nu toe heeft ARM zich vooral gericht op processortechnologie. Het bedrijf geeft zijn chipontwerpen in licentie uit aan fabrikanten. ARM-chips zijn vooral populair in mobieltjes en tablets dankzij het relatief geringe stroomverbruik.

quote:

Non-Filamentary ReRAM

Carlos Paz de Araujo, a professor at the University of Colorado and an expert in ferroelectric memory and materials, has revealed that his company Symetrix Corp. is preparing to launch a non-filamentary, non-volatile memory technology based on the metal-insulator Mott transition in nickel oxide.

The development was revealed on the web pages of EE Times in an online forum discussing non-volatile memory in which Professor Araujo said he was "sick and tired of these electrochemical approaches claiming to solve all problems when in fact the beauty of metal-insulator physics is not utilized."

There have been numerous R&D initiatives to try and develop a resistive RAM (ReRAM) replacement for flash memory, but most of these are based on the making and breaking of conductive filaments within an insulating sandwich between electrodes. Understanding and controlling the physical processes behind the forming, maintenance, and breaking of such filaments, which can be just one or a few atoms in diameter, has proved difficult.

Professor Araujo claimed his approach is different in that it is non-filamentary and does not depend on mass transport. Instead it uses a metal-insulator transition that occurs throughout the metal-oxide crystal structure and that is dependent on electron correlation. The metal-insulator transition is controlled by doping, with nickel carbonyl as the dopant, Professor Araujo said in his comments.

"We call our device CeRAM -- Correlated Electron RAM -- to separate ourselves from the filament crowd," Professor Araujo wrote on the EE Times website.

"We are introducing this technology in two months. It is fully compatible with lithography down to 20nm and can go lower. It is free of complicated contact materials such as platinum. It uses aluminum, cobalt silicide and nickel silicide. Anneals at 400 degrees C and is integratable in 3D using the same electrodes with an already proven diode. The storage temperature is 400 degrees C and the read/write is in the picoseconds. Blue Sky? Not really, it is common sense to try to dope nickel oxide instead of breaking it with filaments," Professor Araujo wrote.

Professor Araujo added that the technology reads at 0.2 volts, writes at 0.6 and 1.2 volts, and has a read endurance above 10^13 cycles, which is far in excess of the numbers quoted for flash memory at the leading-edge and for most alternative ReRAM technologies.

The end of scaling for the mainstream non-volatile memory technology, flash memory, which is based on electron storage, has been predicted for many years. Flash memory has just started to be implemented in multiple layers at relaxed minimum geometries to try and circumvent this issue. (See Samsung Confirms 24 Layers in 3D NAND.)

ReRAM memory, often based on layered metal-oxide materials, including transition metals, has yet to enter high-volume production and phase-change memory (PCM) although commercially deployed is only made at a lower storage density and features sizes much larger than flash memory.

Symetrix, based in Colorado Springs, Colo., was formed in 1986 by Professor Araujo to work on ferroelectric materials for use in non-volatile memory. Symetrix advocated the use of strontium barium titanate (SBT) as an alternative perovskite to lead zirconate titanate (PZT) for use in non-volatile ferroelectric random access memories (FeRAMs). Symetrix, which operates an IP-licensing business model, has licensed its technology to a number of semiconductor companies.

"We do not follow the capital-raising path and we are 27 years old with a portfolio of over 200 patents. We sold many licenses, and the royalty stream is enough to continue innovation," Professor Araujo wrote, but added that the company might be open to equity investment to accelerate the development of CeRAM.

EE Times wrote to Professor Araujo with supplementary questions about the nickel-oxide memory technology, but he declined to provide further information for publication at this time.

quote:

HP claimt smartphones met 100 terabyte opslag

HP heeft een nieuwe computerarchitectuur gepresenteerd die zuiniger en zes keer sneller is dan de huidige servers en in staat is smartphones 100 terabyte opslagruimte te geven.
HP claimt smartphones met 100 terabyte opslag.

HP heeft zijn nieuwe architectuur de naam The Machine gegeven, en noemt het een van de grootste doorbraken op computergebied in decennia.

In eerste instantie is de nieuwe computerarchitectuur ontworpen om beter om te kunnen gaan met de grote datastroom van het zogenoemde Internet of Things. Dat is een verzamelnaam voor het groeiend aantal huishoudelijke en consumentenapparaten met (zelfstandige) internettoegang.

Zo heeft The Machine niet enkele krachtige processorkernen, maar clusters van vele kleinere processoren die specifieke taken uitvoeren. Alles is verbonden met fotonica: optische gegevensoverdracht die veel sneller moet zijn dan de huidige koperen kabels. Ionen worden daarbij in plaats van elektronen gebruikt voor het maken van berekeningen.

Razendsnel geheugen

Ook bevat The Machine zogenoemde memristors; de opvolger van de transistor die niet alleen gebruikt kan worden voor rekentaken, maar ook voor opslag. Dat maakt dat het permanente geheugen van The Machine zo snel is als werkgeheugen. Door die twee stappen in het computerproces te combineren, zijn bovendien kleinere, zuinigere apparaten met meer opslagruimte mogelijk.

The Machine kan volgens HP 160 petabyte (160 miljoen gigabyte) aan data in 250 nanoseconden behandelen. Dat is zes keer sneller dan huidige serverhardware, toch verbruikt The Machine daarbij 80 procent minder energie.

Geen koper

Omdat de architectuur van The Machine geen koper gebruikt, maar fotonica, zijn andere vormen van computers mogelijk. Daarom denkt HP dat het de technologie ook kan laten krimpen voor gebruik in laptops en smartphones.

"Vandaag de dag wisselen al onze apparaten, van telefoon tot supercomputer, constant informatie uit tussen drie lagen van geheugen", legt HP uit. "We hebben het SRAM voor informatie die nu nodig is, het DRAM voor informatie die spoedig nodig is, en het opslaggeugen voor data die later nodig is. Memristors zullen een snelle, goedkope manier zijn die DRAM en opslag combineert. Door het elimineren van een stap maken we processen sneller en zuiniger. Denk aan 100 terabyte opslag in je mobiele telefoon."

Het gaat dan met name om die memristors, die meer en snellere opslag in een kleinere verpakking mogelijk maken. Dit geheugen is pas volgend jaar in testhoeveelheden verkrijgbaar. De eerste apparaten die gebruik maken van de techniek van The Machine worden in 2018 verwacht.

Toch benadrukt HP dat The Machine nog een onderzoeksproject is, wat het onduidelijk maakt of en wanneer de technologie daadwerkelijk te gebruiken is