L'industria microelettronica è alla ricerca di una tecnologia che consenta la realizzazione della “memoria universale”, adatta a tutti i compiti attualmente svolti (nell'ambito di un singolo sistema) da una molteplicità di memorie diverse. Idealmente la memoria universale dovrebbe essere veloce come la Sram, non-volatile come la Flash ed economica come la Dram. Il requisito del basso costo si traduce a sua volta in tre principali condizioni: compatibilità con i processi Cmos standard, celle molto piccole, ottima “scalabilità” (cioè capacità di tenere il passo con i progressi consentiti dalla legge di Moore). La tecnologia ideale dovrebbe inoltre consumare pochissima energia, essere esente da usura e offrire un accesso realmente casuale in tutte le modalità d'uso: scrittura, lettura e cancellazione. Una memoria con queste caratteristiche consentirebbe di semplificare notevolmente l'architettura dei sistemi elettronici, poiché eliminerebbe la necessità di utilizzare più tipi di memorie per i diversi compiti. In tutto il mondo, produttori di semiconduttori e università sono impegnati nella ricerca e nello sviluppo di tecnologie che possano candidarsi al ruolo di “memoria universale” o che almeno offrano vantaggi rispetto alle memorie attualmente in uso. Gli investimenti si concentrano soprattutto sulle tecnologie non-volatili, anche allo scopo di superare i limiti delle odierne Flash: consumi elevati, usura relativamente rapida, dimensioni ormai prossime al limite fisico minimo. Questo grande sforzo collettivo ha generato una grande varietà di tecnologie, basate su molti diversi principi fisici e caratterizzate da diversi gradi di industrializzazione. Attualmente è impossibile prevedere quale tecnologia riuscirà ad assumere il ruolo di “memoria universale”, anche perché gli aspetti industriali (ad esempio la possibilità di usare fabbriche esistenti) possono prevalere sui vantaggi dimostrati in laboratorio e inoltre - come ci insegna la storia della microelettronica - a volte le tecnologie che vengono date per spacciate riescono a salvarsi grazie a qualche brillante escamotage. Non si può escludere, quindi, qualche innovazione che consenta alle Flash di superare i loro limiti attuali.
Mram, Nram e Racetrack Memory
Le principali tecnologie non-volatili che vengono apertamente proposte (dalle società che le hanno sviluppate) come candidate al ruolo di memoria universale sono tre: la Ram magnetoresisitva, la Nano-Ram e la Racetrack Memory. È questo il regno delle soluzioni più innovative, basate sulle nanotecnologie e sulla “spintronica” (da “spin”, il momento angolare degli elettroni studiato dalla meccanica quantistica).
La Mram (Magnetoresistive Ram) impiega una cella costituita da due elementi di materiale ferromagnetico separati da uno strato isolante. Uno dei due elementi è magnetizzato in modo permanente, mentre la magnetizzazione dell'altro viene determinata tramite l'operazione di scrittura. L'informazione, pertanto, è immagazzinata in forma magnetica ma la lettura avviene rilevando la resistenza della cella, che cambia a seconda della relazione tra gli orientamenti dei due campi (“effetto tunnel magnetico”). Nella versione più moderna della Mram l'operazione di scrittura è effettuata tramite la tecnica Stt (Spin torque transfer), nella quale una corrente di elettroni “polarizzati” trasferisce il proprio “spin” (nel significato quantistico del termine) all'elemento magnetico libero. La tecnologia Mram promette velocità pari a quella della Sram, densità allineata con la Dram, basso consumo e durata illimitata. Tra le società attive nel campo delle memorie Mram sono comprese Everspin, Hynix ecc. Uno degli specialisti della tecnica Stt è la società Grandis.
La tecnologia Nano-Ram (Nram), sviluppata dalla società Nantero, si basa sullo spostamento meccanico di nanotubi in carbonio depositati su un chip. Una cella è costituita da un certo numero di nanotubi “sospesi” a brevissima distanza da un elettrodo. L'applicazione di un determinato valore di tensione fa sì che i nanotubi si estendano fino a toccare l'elettrodo, provocando così una diminuzione della resistenza sul percorso del segnale. Entrambi gli stati meccanici sono stabili anche in assenza di tensione, poiché il primo corrisponde allo stato di riposo della struttura, mentre nel secondo agisce l'effetto delle interazioni di Van der Waals (una debole attrazione dovuta alla presenza di molecole polarizzate) che li mantiene attaccati all'elettrodo. La Nano-Ram promette una densità teorica pari alla Dram e basso consumo. La tecnologia Racetrack Memory sviluppata da Ibm può essere considerata come una versione miniaturizzata (nanotecnologica) della vecchia memoria a bolle (bubble memory). L'elemento base è costituito da un filo di permalloy del diametro di cento nanometri, accanto al quale solo collocate microscopiche testine di scrittura-lettura. Il filo è magnetizzato secondo un pattern che può rappresentare numerosi bit (fino a 128) e che viene fatto scorrere tramite una corrente di elettroni con spin coerente. L'implementazione più promettente della memoria Racetrack impiega fili a forma di U e richiede quindi una struttura tridimensionale. I principali punti di forza di questa tecnologia sono l'elevatissima densità e una buona velocità.
Tecnologie basate su cambiamenti della resistività
Tre delle nuove tecnologie non-volatili (Cbram, Pcm e Rram) sono accomunate da principi fisici simili: l'impiego di materiali che possono assumere due diversi valori di resistività, entrambi stabili. Si tratta di memorie che promettono numerosi vantaggi rispetto alla Flash, sebbene generalmente non vengano proposte come candidate per il ruolo di “memoria universale”. La tecnologia Cbram (Conductive Bridging Ram) è stata sviluppata dalla Arizona State University e dal suo spinoff Axon Technologies. È basata sulle proprietà di un elettrolita solido (generalmente solfuro di germanio drogato con rame) posto tra un elettrodo relativamente inerte (ad esempio tungsteno) e uno elettrochimicamente attivo (ad esempio argento o rame). In queste condizioni l'applicazione di un campo elettrico tra i due elettrodi provoca uno spostamento di ioni metallici nell'elettrolita con la conseguente formazione di “nano-fili” conduttivi. L'operazione di scrittura, pertanto, provoca la diminuzione della resistenza sul percorso del segnale. I nano-fili rimangono stabili anche in assenza del campo elettrico che ne ha provocato la formazione; l'applicazione di un campo elettrico inverso, tuttavia, riporta gli ioni metallici verso le loro posizioni iniziali, rompendo così i nano-fili e aumentando nuovamente la resistenza. I principali vantaggi della tecnologia Cbram sono basso consumo, alta velocità di scrittura, lunga durata e la possibilità teorica di raggiungere dimensioni di cella pari a quelle di pochi ioni. Vari produttori di memorie hanno acquistato da Axon la licenza di questa tecnologia mentre Nec ha sviluppato una propria variante denominata “Nanobridge”. La tecnologia Pcm (Phase Change Memory) sfrutta le proprietà dei calcogenuri, particolari material in cui il passaggio dallo stato amorfo allo stato cristallino - ottenuto tramite riscaldamento - si accompagna a una netta e reversibile variazione della resistività. La cella Pcm è costituita da uno strato di questo particolare materiale (una lega di germanio, antimonio e tellurio) posto tra due elettrodi che lo riscaldano iniettando corrente. La Pcm è ritenuta particolarmente promettente perché - oltre ad essere non-volatile - permette di cambiare lo stato di un singolo bit senza riscrivere l'intera memoria, offre una velocità di lettura e scrittura paragonabile a quella della DRam e le dimensioni della cella possono essere facilmente ridotte. Una delle società attive nel campo della Pcm è Numonyx. La tecnologia Rram (Resistive Ram), anch'essa non-volatile, è basata su una proprietà dei film di molti ossidi (generalmente ossidi dei metalli di transizione, perovskiti ecc.) che - dopo essere stati sottoposti a un processo irreversibile chiamato “forming” - sono in grado di assumere due diversi valori di resistenza entrambi stabili, a seconda della tensione applicata. Questo comportamento di “commutazione resistiva” va probabilmente ricondotto a più fenomeni diversi (data la grande varietà dei materiali in questione) tra cui la formazione di filamenti conduttivi in modo analogo a quanto avviene nella Cbram. I principali vantaggi della Rram sono le ridotte dimensioni della cella, la compatibilità con il processo Cmos standard e una buona velocità. Numerose società stanno lavorando per sviluppare questa tecnologia.
Fram e Sonos
Occorre inoltre ricordare due tecnologie molto diverse tra loro (Fram e Sonos), accomunate unicamente dalla non-volatilità. La tecnologia Fram (Ferroelectric Ram), già ampiamente affermata in numerose applicazioni, si basa sulle particolari proprietà dei materiali ferroelettrici, generalmente il zirconato-titanato di piombo (PZT), che si comportano come “dielettrici non lineari”: la relazione tra campo elettrico applicato e quantità di carica immagazzinata presenta un ciclo di isteresi, analogo all'isteresi magnetica dei materiali ferromagnetici. Questo fenomeno è dovuto alla formazione di dipoli elettrici nella struttura cristallina del materiale (cioè allo spostamento di atomi), che mantengono la loro polarizzazione anche dopo la cessazione del campo elettrico applicato. I principali vantaggi della Fram consistono nella durata praticamente illimitata, l'alta velocità di scrittura e il basso consumo. La dimensione delle celle, tuttavia, è relativamente grande. Il più importante produttore di Fram è Ramtron. La tecnologia Sonos (Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon) può essere considerata come un'evoluzione della Flash, rispetto alla quale si differenzia principalmente per l'uso del nitruro di silicio al posto del polisilicio come materiale per l'immagazzinamento della carica elettrica. Il vantaggio principale consiste nel fatto che per fare entrare gli elettroni nel nitruro di silicio è sufficiente una tensione di scrittura più bassa. Il ruolo dell'ossido, inoltre, è meno importante e ciò favorisce la riduzione delle dimensioni della cella e una semplificazione del processo produttivo. Le memorie Sonos sono prodotte da numerose società.
Memorie volatili: Ttram e Z-Ram
Sebbene la ricerca si concentri principalmente sulle tecnologie non-volatili, anche sul fronte delle memorie volatili si registrano innovazioni di rilievo. Due delle tecnologie più interessanti sfruttano le caratteristiche del processo Soi (Silicon On Insulator) per eliminare il condensatore utilizzato nelle normali Dram. Il principio fisico della memorizzazione rimane lo stesso (l'accumulo di carica elettrica), ma anziché costruire un condensatore ad hoc si sfrutta una capacità parassita tipica del processo Soi. In questa tecnologia, infatti, i transistor sono collocati all'interno di “vasche” totalmente isolate, con la conseguente comparsa dell'effetto “floating body”: la tensione del corpo del transistor “fluttua” rispetto al substrato. Tra quest'ultimo e la vasca si forma quindi una capacità parassita che può essere sfruttata per memorizzare un bit. Nella tecnologia Ttram, sviluppata da Renesas, la cella è costituita da due transistor connessi in serie al substrato Soi (di qui il nome, Twin Transistor Ram), uno dei quali serve da dispositivo di accesso mentre l'altro sostituisce il condensatore. Nella tecnologia Z-Ram (Zero capacitor Ram) sviluppata da Innovative Silicon, la cella ha dimensioni ancora minori poiché impiega un unico transistor. La maggiore densità permette di aumentare anche la velocità di accesso ai dati, poiché il segnale deve percorrere distanze inferiori.
