De quoi parle-t-on ?

Nous allons aborder ici un sujet de recherche actuellement mené par plusieurs acteurs comme IBM, Samsung ou Intel, et de son potentiel pour l’avenir de l’informatique.

La ReRAM ou RRAM, pour Resistive Random Access Memory, est un type de mémoire se basant sur le phénomène de résistivité.

Mais contrairement à ce que son nom pourrait sous-entendre, la ReRAM se sépare également de la RAM « classique » par le fait que sa mémoire soit non-volatile. Autrement dit pour les non-initiés : Quand on cesse de l’alimenter en courant, les données restent.

Comment ça fonctionne ?

Comme dit précédemment, tout se base sur le système de résistivité.

Une cellule (l’endroit où l’on stocke l’information sous forme de bit (‘0’ ou ‘1’) physique) est composée de trois couches : deux couches extérieures composées de métal et jouant le rôle d’électrode et une centrale à base d’oxyde métallique.

Ce métal est un matériau conducteur, le courant peut facilement passer entre deux morceaux liés. L’oxyde métallique, quant à lui, est un matériau isolant dit diélectrique (ne contenant pas de charge électrique).

C’est grâce au procédé d’oxydo-réduction (redox), une réaction chimique de laquelle résulte un transfert d’électrons entre certains matériaux, que la ReRAM prend vie. Voici une courte vidéo d’une expérience chimique montrant le phénomène de redox.

Ici, la réaction chimique se concrétise par une impulsion électrique au niveau des électrodes qui perdent des électrons. Ces derniers sont récupérés par l’oxyde métallique, créant un filament reliant les deux électrodes.

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Voilà comment cela fonctionne :

• Quand une tension électrique précise est appliquée (tension Set) au niveau des électrodes, un filament se crée dans l’oxyde métallique, reliant les deux électrodes, faisant passer la cellule d’un état très résistant à un état peu résistant.
• Et inversement, lorsqu’une autre tension précise est appliquée (tension Reset), le filament se brise et la cellule repasse à un état très résistant.

C’est la méthode utilisée pour écrire une donnée sur une cellule.

Par exemple, pour le cas de la technologie proposée par l’entreprise Weebit, c’est une tension positive ou négative qui va créer ce phénomène et ainsi faire changer d’état la cellule.

Maintenant que nous avons appris à écrire sur une cellule, comment pouvons-nous la lire ? En réalité, c’est très simple !

Il suffit d’utiliser la loi d’Ohm, base de l’électronique : U = R x I.

Un courant avec une faible tension, suffisamment faible pour ne pas déclencher le Set ou le Reset, est appliquée et, grâce à la formule ci-dessus, en mesurant le courant et connaissant la tension, on en déduit l’état de la résistance.

Mais on dirait presque du binaire… Et en effet, ça l’est ! Nous avons notre système de mémoire sur lequel nous pouvons écrire et lire.

Pour récapituler

L’état de résistance faible (quand le filament est créé, via une tension Set) représente le ‘1’, le courant arrive facilement à traverser les deux électrodes.

À l’inverse, l’état de résistance élevé (quand le filament se brise, via une tension Reset) représente le ‘0’, le courant ne passe presque plus.

Pour lire la mémoire, il suffit de mesurer la résistance pour savoir dans quel état on est.

Multi-Level Memory

C’est fantastique, nous avons trouvé un moyen plus compliqué de créer une mémoire. Mais qu’est-ce qui la différencie fondamentalement des autres pour être promue au rang de révolution, si ce n’est une meilleure performance ? Le suspense est insoutenable, n’est-ce pas ?

Abordons le concept de Multi-Level Memory, ou « mémoire à plusieurs niveaux » en français.

Les mémoires actuelles sont basées sur des valeurs discrètes. Par exemple, la SRAM se base sur une porte logique électronique et la Flash NAND, quant à elle, se base sur une porte logique physique, chacune n’ayant que deux états possibles traduits en 0 et 1.

Dans notre cas, la ReRAM vient augmenter sa résistivité grâce à une certaine impulsion électrique et la lecture se fait en calculant cette résistivité en mesurant le courant et la tension. Cela veut dire que nous avons un résultat qui est une valeur continue en sortie. Nous pouvons ainsi obtenir, par exemple, des valeurs entre $0 \Omega$ et $100 \Omega$.

Plus haut, nous évoquions les tensions Set et Reset. En réalité, il peut y avoir différentes tensions Set, permettant chacune un niveau différent de résistivité.

On peut avoir, par exemple, un niveau :

• Très résistant (0)
• Résistant (1)
• Peu résistant (2)
• Très peu résistant (3)

Dans ce cas, nous avons 4 niveaux de résistivité, c’est-à-dire 4 valeurs possibles.

En informatique, un bit supplémentaire permet d’écrire 2x plus de valeurs. Et inversement, pouvoir différencier 2x plus de valeurs sur une cellule signifie avoir un bit supplémentaire. Donc, ici, nous avons une cellule avec une taille de 2 bits.

Si nous sommes capables de différencier 8 valeurs sur une cellule, cette dernière possède une taille de 3 bits, et ainsi de suite.

Autrement dit, pouvoir lire plusieurs niveaux de résistivité permet de démultiplier l’espace de stockage d’une cellule, et ainsi multiplier la taille de la mémoire de la ReRAM sans augmenter sa taille physique.

La découverte de cette propriété est assez récente et les enjeux, actuellement, sont d’arriver à stabiliser et d’augmenter la fiabilité du processus.

Avantages et inconvénients : Etude comparative

Voyons maintenant les avantages et les inconvénients que la ReRAM propose. Quel est le réel intérêt de se compliquer la vie à créer une nouvelle façon de stocker de la donnée ?

ATTENTION : Les données utilisées dans cette partie peuvent être potentiellement obsolètes, car les gros constructeurs ne révèlent rien de leurs avancées et la recherche autour du sujet est toujours active. Les données sur lesquelles nous nous appuierons datent de 2020 pour la plupart et se basent sur des ReRAM ne possédant pas la technologie Multi-Level Memory.

Nous allons comparer les caractéristiques de la ReRAM avec la mémoire Flash NAND, mémoire non-volatile la plus répandue (carte SD, SSD, etc…).

Pour ce faire, nous allons comparer les caractéristiques d’un SSD (le “870 EVO 1To” de chez Samsung sorti en 2021) et de ce que pourrait être son équivalent à base de ReRAM.

Ce SSD possède une vitesse de lecture de 560 Mo/s ainsi qu’une vitesse d’écriture de 530 Mo/s pour une consommation moyenne de 2.5 Watts. Il peut être entièrement réécrit jusqu’à 10.000 fois et a une rétention de l’information de 10 ans, propriétés intrinsèques à la technologie Flash NAND.

Maintenant, voyons ce que cela donnerait en remplaçant la mémoire Flash NAND par de la ReRAM. Appelons-le SReD pour Solid Resitive Drive. (Cette appellation n’a rien d’officiel et n’est pas d’origine protégée.)

Voici un tableau comparatif des deux technologies :

Caractéristiques Analysés	Caractéristiques de la ReRAM par rapport à la Flash NAND
Consommation	20x moins
Performance : Lecture	100x plus rapide
Performance : Ecriture	1000x plus rapide
Endurance	Entre 10x et 10⁷x supérieur
Dimension	2x plus dense
Rétention	Equivalent (10 ans)
Plage d’efficacité optimale	Entre 50 °C et 120 °C (La Flash NAND n’en a pas.)

Reprenons ce tableau point par point pour le comprendre :

Consommation

Dans un premier temps, l’un des principaux avantages de la ReRAM sur ses concurrentes est sa très faible consommation d’énergie. Que ce soit en termes de lecture ou d’écriture, la ReRAM est bien moins énergivore que les autres types de mémoires présents sur le marcher actuellement.

Notre SReD aurait une consommation moyenne de 0.125 Watts (125 mW).

Performance

Pour ce qui est des performances, la ReRAM fait partie des mémoires les plus efficaces avec un temps de lecture et d’écriture inférieur à 10 ns.

Le SReD aurait une vitesse de 56 Go/s en lecture et de 530 Go/s en écriture. Il ne reste plus qu’à trouver un câble permettant un tel débit.

Coût, Fabrication et Taille

De par ses matériaux plutôt simples, la ReRAM ne sera pas très chère à fabriquer et est même plus compacte que les autres mémoires.

Pour les mêmes dimensions, on passe d’un SSD de 1To à un SReD qui ferait 2To. Oui, ça reviendrait à pouvoir l’écrire entièrement l’espace de stockage en 4 secondes.

En prenant en compte une technologie Multi-Level Memory à 8 états (3 bits sur une cellule, ce qui est fort envisageable), le SReD pourrait monter à 6To de stockage pour la même dimension.

Endurance

Niveau endurance, il est possible de réécrire la mémoire de la ReRAM entre $10^6$ et $10^{12}$ fois. En comparaison, la mémoire Flash NAND à une endurance de $10^5$ réécritures.

Efficacité et stabilité

La ReRAM possède une plage de température optimale de fonctionnement allant de 50 °C à 120 °C. Qu’est-ce que cela implique ?

Lorsqu’elle atteint cette température optimale, aux alentours de 80 °C, la ReRAM possède toutes les caractéristiques citées précédemment. Dans le cas contraire, ces dernières sont impactées (nous n’avons malheureusement pas de données précises pour quantifier l’impacte que cela peut avoir).

Cependant, cela implique un problème un peu plus important : Le stockage de la ReRAM est instable.

Dans ces conditions optimales, la ReRAM possède une durée de rétention de l’information de 10 ans, ce qui est équivalent à celle de la NAND.

Mais les matériaux dont sont composées les cellules peuvent être altérés avec le temps et ainsi détériorer les données stockées, matérialisées par des filaments de l’ordre du nanomètre au sein des cellules.

De plus, les tensions de lecture, aussi faibles soient-elles, viennent stresser ces filaments et ainsi les détériorer un peu plus au fil du temps. Ce problème de stabilité est l’un des principaux axes de recherche actuelle sur le sujet.

Pour récapituler

La ReRAM est, en de nombreux points, très performante, que ce soit la consommation d’énergie, les performances de lecture, d’écriture ainsi que son endurance.

Tout ceci est pondéré par une zone de température optimale allant de 50 à 120 °C et une instabilité de la durée de stockage.

Les possibilités pour le futur des technologies

Vous l’aurez compris, actuellement le mot d’ordre pour la ReRAM est l’instabilité sur différents aspects.

Mais dans le cas où ce problème serait résolu, quelles pourraient être ses applications ?

Cache de CPU

L’une de ses utilisations pourrait être de servir de cache au CPU, voir même de fournir un cache par cœur.

Actuellement, la technologie de mémoire principalement utilisée par le cache CPU est la SRAM, un type de mémoire volumineux et coûteux, mais avec de très grandes performances.

La ReRAM est 25 fois plus compacte, ce qui pourrait permettre d’agrandir le cache, et même de pouvoir associer un cœur de CPU avec son cache dédié. De plus, le fonctionnement du CPU pourrait maintenir la température idéale de fonctionnement de la ReRAM, et ainsi, avoir ses performances optimales.

Cependant, il reste encore plusieurs points à améliorer pour que la ReRAM soit réellement intéressante dans ce cas de figure.

Que ce soit au niveau des performances, principale raison de l’utilisation de la SRAM dont les accès mémoires sont environ 10x plus rapide que ceux de la ReRAM, ou au niveau de son endurance qui avoisine les $>10^{16}$ réécritures.

Capteurs et objets connectés

L’un des principaux enjeux pour l’avenir des objets connectés est l’autonomie. Il est normal de ne pas avoir envie de recharger son pot de fleurs connecté tous les deux jours.

La ReRAM pourrait aider à pallier ce problème notamment grâce au fait qu’elle soit beaucoup moins énergivore que les autres types de mémoire. De plus, son aspect très compact et sa Multi-Level Memory pourraient permettre une bien plus grande capacité de stockage.

La montre connectée à plusieurs To d’espace de stockage ne semble plus si loin.

Disque Dur et Data Center

De par sa non-volatilité et sa compacité, la ReRAM est tout indiquée à être utilisée comme espace de stockage ultra compacte.

Son utilisation dans des data centers pour remplacer les mémoires de même type semble parfaite. En plus des avantages cités dans l’exemple ci-dessus, qui s’appliquent aussi ici, les data centers produisent une grande quantité de chaleur, et c’est exactement ce qu’aime la ReRAM pour fonctionner dans des conditions optimales. Cette dernière permettrait de réduire la taille des datas centers, leur consommation ainsi que de leur faire gagner en efficacité.

Malgré tout, si vous n’avez pas besoin de stockage de masse pour sauvegarder vos photos de vacances ou n’êtes pas forcément séduit par l’idée d’avoir un pot de fleurs connecté, la ReRAM pourra tout de même trouver un intérêt chez vous. Le faible coût des matériaux semble diriger la ReRAM vers un prix bas et ainsi rendre l’espace de stockage (USB, disque dur,…) plus accessible.

Conclusion et ouverture

Comme nous l’avons vu, la ReRAM est une technologie très prometteuse apportant avec elle une nouvelle technologie : le Multi-Level Memory.

La ReRAM surpasse la mémoire non-volatile la plus utilisée actuelle que ce soit en performance, en endurance ou en consommation.

Cependant, elle a besoin d’être aux alentours des 80 °C pour fonctionner de manière optimale et ses nombreux problèmes de stabilités nécessitent encore d’entre résolus.

Nous n’avons pas vu tous les cas d’usages possibles, nous nous sommes contentés de voir les cas qui pourraient directement faire partie de la vie de tout un chacun. Par exemple, l’application à la simulation de neurones est très intéressante !

Cependant ! Gardez à l’esprit que les recherches autour de la ReRAM sont encore actives. Tout ceci peut s’avérer dépassé et obsolète d’ici quelques mois, voire années.

Enfin, la ReRAM n’est pas le seul type de mémoire en développement ayant du potentiel. Quid de la STT-MRAM ?

Restez attentifs et soyez sur vos gardes, car le futur entraperçu en 1970 risque d’arriver plus tôt que prévu.

Approfondir

1. Oxydo-réduction
2. Vidéo redox
3. Mémoire Flash
4. SRAM
5. MRAM et STT-MRAM
6. Utilisation de la ReRAM pour la simulation de réseau de neurones (document scientifique)

Bibliographie

1. “Resistive Random Access Memory (RRAM): an Overview of Materials, Switching Mechanism, Performance, Multilevel Cell (mlc) Storage, Modeling, and Applications”, by Furqan Zahoor, Tun Zainal Azni Zulkifli and Farooq Ahmad Khanday
2. Article from Lumenci
3. Crossbar Technology : ReRAM Advantage
4. “Multi-Level Control of Resistive RAM (RRAM) Using a Write Termination to Achieve 4 Bits/Cell in High Resistance State”, by Hassen Aziza, Said Hamdioui, Moritz Fieback, Mottaqiallah Taouil, Mathieu Moreau, Patrick Girard, Arnaud Virazel, Karine Castellani-Coulie
5. “Robust and reliable ReRAM-based non-volatile sequential logic circuits in deeply-scaled CMOS tehnologies”, by Natalija Jovanovic