Nano-RAM

Nano-RAM es una tecnología de memoria informática patentada por la empresa Nantero . Se trata de un tipo de memoria de acceso aleatorio no volátil basada en la disposición de nanotubos de carbono depositados sobre un sustrato similar a un chip. En teoría, el pequeño tamaño de los nanotubos permite memorias de muy alta densidad. Nantero también la denomina NRAM.

La primera generación de la tecnología NRAM de Nantero se basaba en un dispositivo semiconductor de tres terminales, donde un tercer terminal se utilizaba para conmutar la celda de memoria entre diferentes estados. La segunda generación de la tecnología NRAM se basa en una celda de memoria de dos terminales. Esta celda de dos terminales presenta ventajas como un tamaño menor, una mejor escalabilidad a  nodos inferiores a 20 nm (véase la fabricación de dispositivos semiconductores ) y la posibilidad de pasivar la celda de memoria durante su fabricación.

En una matriz de tejido no tejido de nanotubos de carbono (CNT), los nanotubos cruzados pueden estar en contacto o ligeramente separados según su posición. Cuando están en contacto, los nanotubos de carbono se mantienen unidos por fuerzas de Van der Waals . ^{[ 1 ]} Cada "celda" NRAM consta de una red interconectada de CNT ubicada entre dos electrodos, como se ilustra en la Figura 1. El tejido de CNT se encuentra entre dos electrodos metálicos, que se definen y graban mediante fotolitografía , y forma la celda NRAM.

La NRAM actúa como una memoria de acceso aleatorio (RAM) no volátil resistiva y puede configurarse en dos o más modos resistivos según el estado resistivo del tejido de nanotubos de carbono (CNT). Cuando los CNT no están en contacto, el estado de resistencia del tejido es alto y representa un estado "apagado" o "0". Cuando los CNT entran en contacto, el estado de resistencia del tejido es bajo y representa un estado "encendido" o "1". La NRAM actúa como memoria porque los dos estados resistivos son muy estables. En el estado 0, los CNT (o una parte de ellos) no están en contacto y permanecen separados debido a su rigidez, lo que resulta en una alta resistencia o una baja corriente de medición entre los electrodos superior e inferior. En el estado 1, los CNT (o una parte de ellos) están en contacto y permanecen en contacto debido a las fuerzas de Van der Waals entre ellos, lo que resulta en una baja resistencia o una alta corriente de medición entre los electrodos superior e inferior. Cabe señalar que otras fuentes de resistencia, como la resistencia de contacto entre el electrodo y el nanotubo de carbono, pueden ser significativas y también deben tenerse en cuenta.

Para cambiar el estado de la NRAM, se aplica una pequeña tensión, superior a la de lectura, entre los electrodos superior e inferior. Si la NRAM se encuentra en el estado 0, la tensión aplicada provoca una atracción electrostática entre los nanotubos de carbono (CNT) cercanos, lo que produce una operación de escritura (SET). Tras retirar la tensión aplicada, los CNT permanecen en un estado de baja resistencia (1) debido a la adhesión física (fuerza de Van der Waals), con una energía de activación (E _a ) de aproximadamente 5 eV. Si la celda de la NRAM se encuentra en el estado 1, la aplicación de una tensión superior a la de lectura genera excitaciones de fonones en los CNT con la energía suficiente para separar las uniones de los mismos. Esta es la operación de reinicio (RESET) impulsada por fonones. Los CNT permanecen en el estado de alta resistencia (OFF) debido a su elevada rigidez mecánica ( módulo de Young de 1 TPa), con una energía de activación (E _a ) mucho mayor que 5 eV. La figura 2 ilustra ambos estados de un par de CNT involucrados en la operación de conmutación. Debido a la alta energía de activación (> 5 eV) necesaria para conmutar entre estados, el interruptor NRAM resiste interferencias externas como la radiación y la temperatura de funcionamiento que pueden borrar o invertir memorias convencionales como la DRAM .

Las memorias NRAM se fabrican depositando una capa uniforme de nanotubos de carbono (CNT) sobre una matriz prefabricada de controladores, como transistores, tal como se muestra en la Figura 1. El electrodo inferior de la celda NRAM está en contacto con la vía subyacente (electrónica) que conecta la celda al controlador. El electrodo inferior puede fabricarse como parte de la vía subyacente o simultáneamente con la celda NRAM, cuando esta se define y graba fotolitográficamente. Antes de que la celda se defina y grabe fotolitográficamente, el electrodo superior se deposita como una película metálica sobre la capa de CNT, de modo que el electrodo metálico superior se modela y graba durante la definición de la celda NRAM. Tras la pasivación dieléctrica y el relleno de la matriz, el electrodo metálico superior se expone mediante el grabado del dieléctrico suprayacente utilizando un proceso de alisado, como la planarización químico-mecánica . Con el electrodo superior expuesto, se fabrica el siguiente nivel de interconexión de cableado metálico para completar la matriz NRAM. La Figura 3 ilustra un método de circuito para seleccionar una sola celda para escritura y lectura. Mediante una disposición de interconexión en cuadrícula cruzada, la NRAM y el controlador (la celda) forman una matriz de memoria similar a otras matrices de memoria. Se puede seleccionar una sola celda aplicando los voltajes adecuados a la línea de palabra (WL), la línea de bits (BL) y las líneas de selección (SL) sin afectar a las demás celdas de la matriz. Alternativamente, entre el electrodo inferior y la capa metálica superior pueden existir dos capas de nanotubos de carbono (CNT): una con CNT dispuestos uniformemente y otra con CNT dispuestos aleatoriamente. Los CNT dispuestos uniformemente se utilizan para proteger a los CNT dispuestos aleatoriamente de la capa metálica superior. ^{[ 2 ]}

La NRAM tiene una densidad, al menos en teoría, similar a la de la DRAM. La DRAM incluye condensadores, que son esencialmente dos pequeñas placas metálicas con un aislante delgado entre ellas. La NRAM tiene terminales y electrodos aproximadamente del mismo tamaño que las placas de una DRAM, y los nanotubos entre ellos son mucho más pequeños, por lo que no aumentan el tamaño total. Sin embargo, parece haber un tamaño mínimo para la fabricación de una DRAM, por debajo del cual simplemente no se almacena suficiente carga en las placas. La NRAM parece estar limitada únicamente por la litografía . Esto significa que la NRAM podría alcanzar una densidad mucho mayor que la DRAM, y quizás también ser menos costosa. A diferencia de la DRAM, la NRAM no requiere energía para "actualizarse" y conserva su memoria incluso después de que se interrumpe el suministro eléctrico. Por lo tanto, la energía necesaria para escribir y mantener el estado de memoria del dispositivo es mucho menor que la de la DRAM, que necesita acumular carga en las placas de la celda. Esto significa que la NRAM podría competir con la DRAM en términos de costo, pero también requerir menos energía y, como resultado, ser mucho más rápida, ya que el rendimiento de escritura está determinado en gran medida por la carga total necesaria. En teoría, la memoria NRAM puede alcanzar un rendimiento similar al de la SRAM, que es más rápida que la DRAM pero mucho menos densa y, por lo tanto, mucho más cara.

En comparación con otras tecnologías de memoria de acceso aleatorio no volátil (NVRAM), la NRAM presenta varias ventajas. En la memoria flash , la forma común de NVRAM, cada celda se asemeja a un transistor MOSFET con una puerta de control (CG) modulada por una puerta flotante (FG) interpuesta entre la CG y la FG. La FG está rodeada por un dieléctrico aislante, generalmente un óxido. Dado que la FG está aislada eléctricamente por el dieléctrico circundante, cualquier electrón colocado en la FG quedará atrapado en ella, lo que apantalla la CG del canal del transistor y modifica la tensión umbral (VT) del transistor. Al escribir y controlar la cantidad de carga colocada en la FG, esta controla el estado de conducción del dispositivo flash MOSFET en función de la VT de la celda seleccionada. La corriente que fluye a través del canal del MOSFET se detecta para determinar el estado de la celda, formando un código binario donde un estado 1 (flujo de corriente) cuando se aplica una tensión CG apropiada y un estado 0 (sin flujo de corriente) cuando se aplica la tensión CG.

Tras la escritura, el aislante atrapa electrones en el bit FG, fijándolo en el estado 0. Sin embargo, para modificar dicho bit, es necesario sobrecargarlo para borrar la carga almacenada. Esto requiere un voltaje elevado, de unos 10 voltios, mucho mayor del que puede proporcionar una batería. Los sistemas de memoria flash incluyen una bomba de carga que acumula energía lentamente y la libera a un voltaje más alto. Este proceso no solo es lento, sino que también degrada los aislantes. Por este motivo, la memoria flash tiene un número limitado de escrituras antes de que el dispositivo deje de funcionar correctamente.

Las operaciones de lectura y escritura en la memoria NRAM consumen poca energía en comparación con la memoria flash (o la DRAM, debido a la frecuencia de actualización), lo que significa que la NRAM podría tener una mayor duración de la batería. Además, su velocidad de escritura podría ser mucho mayor, lo que permitiría reemplazar a ambas. Los teléfonos modernos incluyen memoria flash para almacenar números de teléfono, DRAM para una memoria de trabajo de mayor rendimiento (ya que la memoria flash es demasiado lenta) y SRAM para un rendimiento aún mayor. Parte de la NRAM podría ubicarse en la CPU para funcionar como caché , y otra parte en otros chips, reemplazando tanto la DRAM como la memoria flash.

La NRAM es uno de los diversos sistemas de memoria nuevos, muchos de los cuales afirman ser " universales " de la misma manera que la NRAM  , reemplazando todo, desde la memoria flash hasta la DRAM y la SRAM.

Una memoria alternativa lista para usar es la RAM ferroeléctrica (FRAM o FeRAM). La FeRAM incorpora una pequeña cantidad de material ferroeléctrico a una celda DRAM. El estado del campo en el material codifica el bit en un formato no destructivo. La FeRAM presenta ventajas sobre la NRAM, aunque el tamaño mínimo de celda posible es mucho mayor. Se utiliza en aplicaciones donde el número limitado de escrituras en la memoria flash es un problema. Las operaciones de lectura en la FeRAM son destructivas, por lo que requieren una operación de escritura de recuperación posterior.

Otros sistemas de memoria más especulativos incluyen la memoria de acceso aleatorio magnetoresistiva (MRAM) y la memoria de cambio de fase (PRAM). La MRAM se basa en una cuadrícula de uniones túnel magnéticas . La MRAM lee la memoria utilizando el efecto de magnetorresistencia de túnel , lo que le permite leer la memoria de forma no destructiva y con muy poca energía. Las primeras MRAM utilizaban escritura inducida por campo, ^{[ 3 ]} alcanzaron un límite en términos de tamaño, lo que las mantuvo mucho más grandes que los dispositivos flash. Sin embargo, las nuevas técnicas de MRAM podrían superar la limitación de tamaño para hacer que la MRAM sea competitiva incluso con la memoria flash. Las técnicas son la conmutación asistida térmicamente (TAS), ^{[ 4 ]} desarrollada por Crocus Technology , y el par de transferencia de espín en el que Crocus, Hynix , IBM y otras empresas estaban trabajando en 2009. ^{[ 5 ]}

La tecnología PRAM se basa en una tecnología similar a la de los CD o DVD grabables, utilizando un material de cambio de fase que modifica sus propiedades magnéticas o eléctricas en lugar de las ópticas. El material PRAM es escalable, pero requiere una fuente de corriente mayor.

Nantero se fundó en 2001 y tiene su sede en Woburn, Massachusetts . Debido a la enorme inversión en plantas de fabricación de semiconductores flash , ninguna memoria alternativa ha reemplazado a la memoria flash en el mercado, a pesar de las predicciones que ya en 2003 apuntaban a la inminente velocidad y densidad de la NRAM. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

En 2005, la NRAM se promocionó como memoria universal , y Nantero predijo que estaría en producción a finales de 2006. ^{[ 8 ]} En agosto de 2008, Lockheed Martin adquirió una licencia exclusiva para aplicaciones gubernamentales de la propiedad intelectual de Nantero. ^{[ 9 ]}

A principios de 2009, Nantero tenía 30 patentes estadounidenses y 47 empleados, pero aún se encontraba en la fase de ingeniería. ^{[ 10 ]} En mayo de 2009, se probó una versión resistente a la radiación de NRAM en la misión STS-125 del transbordador espacial estadounidense Atlantis . ^{[ 11 ]}

La empresa permaneció en silencio hasta que se anunció otra ronda de financiación y colaboración con el centro de investigación belga imec en noviembre de 2012. ^{[ 12 ] [ 13 ]} Nantero recaudó un total de más de 42 millones de dólares a través de la ronda de serie D de noviembre de 2012. ^{[ 14 ]} Entre los inversores se encontraban Charles River Ventures , Draper Fisher Jurvetson , Globespan Capital Partners , Stata Venture Partners y Harris & Harris Group. En mayo de 2013, Nantero completó la serie D con una inversión de Schlumberger . ^{[ 15 ]} EE Times incluyó a Nantero como una de las "10 principales startups a seguir en 2013". ^{[ 16 ]}

31 de agosto de 2016: Dos divisiones de semiconductores de Fujitsu están licenciando la tecnología Nantero NRAM con un desarrollo conjunto Nantero-Fujitsu para producir chips, anunciados en 2018. Se anunció que tendrían reescrituras miles de veces más rápidas y muchos miles de veces más ciclos de reescritura que la memoria flash integrada. ^{[ 17 ]} A fecha de 2024, estos productos aún se anuncian, pero no han llegado al mercado.

A mediados o finales de 2024, Nantero cesó sus operaciones. Su sitio web quedó inactivo y parte de su equipo se vendió en subasta en agosto de 2024. ^{[ 18 ]}

• Página de NRAM de Nantero