ReRAM คืออะไร ? เทคโนโลยีหน่วยความจำแห่งอนาคต ที่อาจเปลี่ยนโลกการจัดเก็บข้อมูล

ReRAM คืออะไร ? เทคโนโลยีหน่วยความจำแห่งอนาคตที่อาจเปลี่ยนโลกการจัดเก็บข้อมูล

หากพูดถึง "หน่วยความจำหลัก (RAM)" เป็นองค์ประกอบสำคัญของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ตั้งแต่สมาร์ทโฟน, คอมพิวเตอร์พีซี (PC) ไปจนถึง เซิร์ฟเวอร์ (Server) และ อุปกรณ์ไอโอที (IoT) ซึ่งปัจจุบัน หน่วยความจำแบบ NAND Flash ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลาย แต่ความต้องการเทคโนโลยีของมนุษย์นั้นไม่มีที่สิ้นสุด NAND Flash กำลังเผชิญหน้ากับข้อจำกัดทั้งด้านความเร็ว, อายุการใช้งาน และการใช้พลังงาน ด้วย นี่จึงเป็นที่มาของเทคโนโลยีใหม่อย่าง ReRAM  ซึ่งได้รับความสนใจว่าอาจเป็นตัวเลือกที่ดีกว่า

ด้วยความสามารถในการทำงานที่รวดเร็ว, ใช้พลังงานต่ำ และมีความทนทานสูง ดังนั้น ในบทความนี้จะพาทุกคนมารู้จักกับ ReRAM ว่ามันคืออะไร ?, ทำงานอย่างไร ?, มีข้อดี-ข้อสังเกตอะไรบ้าง ? และถูกนำมาใช้อย่างไร ? เรามาหาคำตอบไปพร้อมกัน ...

ReRAM คืออะไร ? (What is ReRAM ?)

ReRAM (Resistive Random Access Memory (RRAM) เป็นหน่วยความจำประเภทที่ไม่ลบเลือน (Non-Volatile Memory) สามารถเก็บข้อมูลไว้ได้แม้ไม่มีไฟฟ้ามาหล่อเลี้ยง หลักการทำงานของ ReRAM อาศัยการเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทานในวัสดุไดอิเล็กทริก (Dielectric Material) ที่ออกแบบมาเป็นพิเศษ

โดย ReRAM ใช้ส่วนประกอบสำคัญที่เรียกว่า เมมริสเตอร์ (Memristor) ซึ่งเป็นการรวมคำระหว่าง "Memory" (หน่วยความจำ) และ "Resistor" (ตัวต้านทาน) ซึ่งจุดเด่นของ เมมริสเตอร์ คือสามารถเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทานระหว่างสถานะความต้านทานสูง และต่ำได้ เมื่อได้รับแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกัน โดยปกติแล้ววัสดุไดอิเล็กทริกจะไม่ยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่าน และมักถูกใช้ในตัวเก็บประจุ (Capacitor) เพื่อป้องกันการไหลของกระแสไฟ แต่ถ้าหากว่ามีแรงดันไฟฟ้าสูงพอ วัสดุนี้อาจเกิดปรากฏการณ์ Dielectric Breakdown ทำให้สามารถนำไฟฟ้าได้นั่นเอง

ภาพจาก : https://www.yolegroup.com/player-interviews/spotlight-on-resistive-ram-reram-an-interview-with-weebit-nano/

ซึ่งในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ทั่วไป การเกิด Breakdown มักจะเป็นสาเหตุที่ทำให้อุปกรณ์เสียหาย แต่ในกรณีของ ReRAM กระบวนการ Breakdown ที่เกิดขึ้นเป็นแบบชั่วคราว และไม่นานมันก็สามารถกลับคืนสู่สภาวะเดิมได้ เพราะว่าวัสดุที่ใช้มีคุณสมบัติพิเศษ เป็นผลให้เราสามารถเขียน และลบข้อมูลได้ซ้ำ ๆ โดยไม่เกิดความเสียหายอย่างถาวรนั่นเอง

ภาพจาก : https://www.yolegroup.com/player-interviews/spotlight-on-resistive-ram-reram-an-interview-with-weebit-nano/

ReRAM ทำงานอย่างไร ? (How does ReRAM work ?)

ReRAM ทำงานโดยใช้หลักการเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทาน (R) ของวัสดุ เพื่อนำไปใช้แทนบิตข้อมูล 0 และ 1 แทนที่จะอาศัยการเก็บประจุไฟฟ้าเหมือนหน่วยความจำประเภทอื่น ซึ่งโครงสร้างพื้นฐานของ ReRAM ประกอบด้วยอิเล็กโทรดสองชั้น โดยมีชั้นวัสดุไดอิเล็กทริกซึ่งโดยปกติไม่สามารถนำไฟฟ้าได้ คั่นกลาง แต่เมื่อมีการจ่ายแรงดันไฟฟ้าที่เหมาะสม วัสดุนี้จะเกิดกระบวนการนำไฟฟ้าชั่วคราวผ่านการสร้าง หรือทำลายเส้นใยนำไฟฟ้า (Conductive Filaments) ซึ่งเป็นกระบวนการที่สามารถเกิดขึ้นได้ซ้ำ ๆ ทำให้ ReRAM สามารถเขียน และลบข้อมูลได้

หลักการทำงานของ ReRAM สามารถแบ่งออกเป็นสองสถานะหลัก ได้แก่ 

ภาพจาก : https://semiengineering.com/reram-seeks-to-replace-nor/

1. สถานะความต้านทานต่ำ (Low Resistance State - LRS) หรือสถานะ "1"

ในสถานะนี้วัสดุภายในเซลล์หน่วยความจำจะมีค่าความต้านทานต่ำ ทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้ง่าย กระบวนการเปลี่ยนสถานะจาก HRS เป็น LRS จะเกิดขึ้นเมื่อมีการจ่ายแรงดันไฟฟ้าบวกไปที่อิเล็กโทรดด้านบน ส่งผลให้เกิดการเคลื่อนที่ของอะตอมออกซิเจน หรือไอออนโลหะในชั้นวัสดุออกไซด์ และทำให้เกิดเส้นใยนำไฟฟ้า (Conductive Filament) เชื่อมต่อระหว่างอิเล็กโทรดทั้งสองชั้น

2. สถานะความต้านทานสูง (High Resistance State - HRS) หรือสถานะ "0"

ในสถานะนี้ค่าความต้านทานของวัสดุสูงขึ้น ทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้น้อย หรือแทบไม่ได้เลย การเปลี่ยนกลับจากสถานะ LRS เป็น HRS เกิดขึ้นเมื่อมีการจ่ายแรงดันไฟฟ้าลบไปที่อิเล็กโทรดด้านล่าง ทำให้เส้นใยนำไฟฟ้าถูกทำลาย ส่งผลให้การนำไฟฟ้าลดลง และเซลล์กลับเข้าสู่สถานะความต้านทานสูง

ReRAM มีการพัฒนาออกเป็นสองแนวทางหลัก ได้แก่

1. OxRAM (Oxide-based ReRAM) : ใช้โลหะออกไซด์เป็นวัสดุหลัก และการเปลี่ยนแปลงสถานะความต้านทานจะเกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่ของช่องว่างออกซิเจนในวัสดุออกไซด์
2. CBRAM (Conductive-Bridge RAM) : ใช้ไอออนของทองแดง (Cu) หรือเงิน (Ag) ในการสร้าง และทำลายสะพานนำไฟฟ้าระหว่างอิเล็กโทรด

แม้ว่าทั้งสองประเภทจะมีหลักการทำงานที่คล้ายคลึงกัน แต่แตกต่างกันในเรื่องของวัสดุที่ใช้ และกระบวนการเปลี่ยนสถานะ

ข้อดี และข้อสังเกตของ ReRAM (Pros and Cons of ReRAM)

ถ้าถามว่าเร็วมากกว่า NAND แค่ไหน ปัจจุบัน ReRAM สามารถ อ่าน/เขียนข้อมูลได้ในระดับ 10 นาโนวินาที (~10 ns) ขณะที่ NAND Flash มี ความหน่วง (Latency) อยู่ที่หลักไมโครวินาที (~100 µs - 1 ms) ซึ่งหมายความว่า ReRAM เร็วกว่าประมาณ 1,000 - 100,000 เท่า

นอกจากนี้ ReRAM ไม่ต้องผ่านกระบวนการลบก่อนเขียนอย่าง NAND Flash ทำให้สามารถเขียนข้อมูลได้โดยตรง ซึ่งช่วยลดเวลาทำงานลงไปอีก และในตอนนี้ บริษัทชั้นนำ เช่น Weebit Nano และ Crossbar ก็กำลังพัฒนา ReRAM ที่สามารถให้แบนด์วิดท์สูงกว่า SSD NAND Flash ถึง 10 เท่า และลดการใช้พลังงานลงได้อย่างมาก

ประวัติความเป็นมาของ ReRAM (History of ReRAM)

ReRAM (Resistive Random Access Memory) เริ่มได้รับความสนใจตั้งแต่ช่วงต้นทศวรรษ ค.ศ. 2000 (พ.ศ. 2543) โดยมีหลายบริษัทเริ่มพัฒนา และยื่นจดสิทธิบัตรเกี่ยวกับเทคโนโลยีนี้ ในช่วงแรก ReRAM ถูกนำมาใช้ในระดับขนาดเล็กมาก มีความจุเพียงไม่กี่กิโลไบต์

ในช่วงต้นของการพัฒนา บริษัทเทคโนโลยีหลายแห่งให้ความสนใจใน ReRAM ในปี ค.ศ. 2012 (พ.ศ.2555) Rambus ได้เข้าซื้อ Unity Semiconductor ซึ่งเป็นหนึ่งในบริษัทผู้พัฒนา ReRAM ด้วยมูลค่า 35 ล้านดอลลาร์สหรัฐ (ประมาณ 1,176,420,000 บาท) ต่อมา Panasonic ก็ได้เปิดตัวชุดทดสอบ ReRAM ที่ใช้สถาปัตยกรรมแบบ 1T1R (1 Transistor – 1 Resistor) ซึ่งเป็นก้าวสำคัญของการพัฒนาเทคโนโลยีนี้

ภาพจาก : https://www.eetindia.co.in/18051803-microsemi-license-deal-an-endorsement-for-reram/

ในปีถัดมา ค.ศ. 2013 (พ.ศ. 2556) Crossbar ได้สร้าง ReRAM ต้นแบบสำเร็จ มีขนาดเท่ากับแสตมป์ แต่สามารถเก็บข้อมูลได้ถึง 1 เทราไบต์ (TB) และประกาศแผนผลิตเชิงพาณิชย์แสดงให้เห็นถึงศักยภาพของ ReRAM ในการเป็นหน่วยความจำความจุสูง และมีขนาดกะทัดรัด ในช่วงเวลาเดียวกัน HP ได้เปิดตัวแผ่นเวเฟอร์ ReRAM ที่ใช้เทคโนโลยีเมมริสเตอร์ และคาดการณ์ว่า SSD ขนาด 100TB จะเปิดตัวภายในปี ค.ศ. 2018 (พ.ศ. 2561) อย่างไรก็ตาม ความท้าทายด้านเทคโนโลยีทำให้การผลิตในระดับอุตสาหกรรมยังล่าช้าอยู่

แม้ว่าการพัฒนา ReRAM จะดำเนินมาอย่างต่อเนื่อง แต่การเข้าสู่ตลาดในระดับอุตสาหกรรมยังค่อนข้างช้า แต่บริษัทชั้นนำอย่าง TSMC, Weebit Nano และ Infineon ต่างกำลังพัฒนา ReRAM เพื่อให้สามารถผลิตในเชิงพาณิชย์ได้อย่างมีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น โดยเฉพาะในกลุ่มตลาด ปัญญาประดิษฐ์ (AI), IoT และ เอดจ์คอมพิวติ้ง (Edge Computing) ซึ่งต้องการหน่วยความจำที่เร็ว, ประหยัดพลังงาน และมีความทนทานสูง

ภาพจาก : https://www.weebit-nano.com/news/press-releases/weebit-nano-to-demo-its-reram-rram-embedded-technology-on-globalfoundries-22fdx-platform/

และปัจจุบัน มีการทดลองใช้ ReRAM ใน Storage-Class Memory (SCM), Embedded Memory สำหรับชิป ไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) และหน่วยความจำสำหรับอุปกรณ์ IoT นอกจากนี้ นักวิจัยยังพัฒนา ReRAM ที่สามารถเก็บข้อมูลได้หลายบิตต่อเซลล์ (Multi-Level Cell - MLC) ซึ่งช่วยเพิ่มความจุและลดต้นทุนการผลิตอีกด้วย

ReRAM กับการเปรียบเทียบกับ หน่วยความจำประเภทอื่น (ReRAM with Other Memory Types Comparisons)

ReRAM ที่ได้รับการพัฒนาเพื่อตอบโจทย์ด้านความเร็ว, ความทนทาน และการใช้พลังงานต่ำ ซึ่งทำให้มันถูกนำมาเปรียบเทียบกับหน่วยความจำประเภทอื่น ๆ ซึ่งแต่ละเทคโนโลยีมีข้อดี และข้อเสียที่แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับลักษณะการใช้งาน เราลองมาดูกันดีกว่าว่า ReRam นั้นสู้กับเทคโนโลยีอื่นได้ไหม

1. ReRAM vs NAND Flash

NAND Flash เป็นหน่วยความจำที่ใช้กันอย่างแพร่หลายใน SSD และอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลแบบพกพา มีข้อดีคือราคาถูก อย่างไรก็ตาม NAND Flash มีข้อจำกัดในด้านความเร็วในการอ่าน-เขียนข้อมูลที่ยังช้ากว่า ReRAM และมีอายุการใช้งานที่สั้นกว่า เนื่องจากเซลล์หน่วยความจำเสื่อมสภาพจากการเขียน-ลบข้อมูลซ้ำ ๆ กลับกัน ReRAM มีความเร็วสูงกว่า, ใช้พลังงานน้อยกว่า และทนทานต่อการใช้งานมากกว่า ซึ่งอาจทำให้มันกลายเป็นตัวเลือกแทนที่ NAND Flash ในอนาคต หากต้นทุนการผลิตลดลง

ภาพจาก : https://www.integralmemory.com/articles/what-is-nand-flash-memory/

2. ReRAM vs DRAM

DRAM (Dynamic Random Access Memory) เป็นหน่วยความจำหลักที่ใช้ในคอมพิวเตอร์ และเซิร์ฟเวอร์ มีความเร็วที่สูงมาก ๆ แต่ต้องใช้พลังงานตลอดเวลาเพื่อรักษาข้อมูล ซึ่งหมายความว่าข้อมูลจะหายไปเมื่อปิดเครื่อง ในขณะที่ ReRAM เป็นหน่วยความจำแบบไม่ลบเลือน จึงสามารถเก็บข้อมูลได้แม้ไม่มีพลังงาน และใช้พลังงานน้อยกว่า แต่ DRAM ก็ยังคงได้เปรียบในด้านความเร็ว และมันก็เหมาะกับการใช้งานที่ส่งข้อมูลกันภายในอุปกรณ์ประมวลผลมากกว่า

ภาพจาก : https://sc.microless.com/product/hyperx-fury-16gb-1-x-16gb-ddr4-2666mhz-dram-cl16-1-2v-288-pin-dimm-desktop-memory-black-hx426c16fb-16/

3. ReRAM vs MRAM (Magnetoresistive RAM)

MRAM ใช้หลักการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กในการบันทึกข้อมูล ทำให้มีความเร็วสูง และไม่จำเป็นต้องใช้พลังงานเพื่อรักษาข้อมูลเหมือน DRAM ข้อดีของ MRAM คือความเร็วใกล้เคียงกับ DRAM และทนทานต่อจำนวนรอบการเขียน-ลบที่สูง แต่ ReRAM มีโครงสร้างที่เรียบง่ายกว่า MRAM และสามารถผลิตได้ในต้นทุนที่ต่ำกว่า ทำให้เป็นตัวเลือกที่น่าสนใจในระยะยาว

ภาพจาก : https://www.techtarget.com/searchstorage/definition/MRAM

4. ReRAM vs PCM (Phase-Change Memory)

PCM (Phase-Change Memory) เป็นเทคโนโลยีหน่วยความจำที่ทำงานโดยการเปลี่ยนสถานะของวัสดุระหว่างโครงสร้างผลึก และอสัณฐานเพื่อแทนค่า 0 และ 1 จุดเด่นของ PCM คือความสามารถในการเก็บข้อมูลได้แม่นยำ และมีความเร็วสูงกว่า NAND Flash แต่ข้อเสียคือ ต้องใช้พลังงานสูงในการเปลี่ยนสถานะของวัสดุ อย่างที่เห็นในภาพคือจะต้องมี Heater สำหรับให้ความร้อนเพื่อเปลี่ยนสถานะของวัสดุ ซึ่ง ReRAM สามารถทำได้โดยใช้พลังงานที่ต่ำกว่ามาก ทำให้เป็นตัวเลือกที่ดูน่าพัฒนามากกว่านั่นเอง

ภาพจาก : https://www.st.com/content/st_com/en/about/innovation---technology/PCM.html

ReRAM ถูกนำไปใช้งานอย่างไร ? (How is ReRAM applied and used ?)

ถึงแม้ว่า ReRAM จะถูกพัฒนา และเริ่มนำมาใช้ในอุปกรณ์หน่วยความจำ และการจัดเก็บข้อมูลแล้ว แต่การใช้งานในระดับอุตสาหกรรมยังไม่ได้รับความนิยมอย่างแพร่หลาย เพราะข้อจำกัดด้านต้นทุนการผลิต และปัญหาทางเทคนิค แต่ด้วยคุณสมบัติที่โดดเด่น อย่างความเร็วสูง, ความหน่วงต่ำ (Low Latency), ใช้พลังงานต่ำ และมีความทนทานสูง ทำให้ ReRAM มีศักยภาพในการถูกนำมาใช้ในหลายด้าน

งานด้าน AI, ML และ IoT

หนึ่งในกลุ่มการใช้งานที่สำคัญของ ReRAM คือ ปัญญาประดิษฐ์ (AI), การเรียนรู้ของเครื่องจักร (Machine Learning) และอินเทอร์เน็ตของสรรพสิ่ง (IoT) เทคโนโลยีเหล่านี้ต้องการหน่วยความจำที่สามารถเข้าถึงข้อมูลได้รวดเร็ว และประหยัดพลังงาน ซึ่ง ReRAM สามารถตอบโจทย์ได้ดีกว่า NAND Flash หรือ DRAM ในบางกรณี อุปกรณ์ IoT ต้องการหน่วยความจำที่มีความเสถียรสูง และสามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่องโดยใช้พลังงานต่ำ ซึ่งทำให้ ReRAM เป็นตัวเลือกที่เหมาะสม

Storage Class Memory (SCM)

อีกหนึ่งการประยุกต์ใช้ที่มีแนวโน้มเติบโตคือ Storage Class Memory (SCM) ซึ่งเป็นแนวคิดของการสร้างหน่วยความจำที่อยู่กึ่งกลางระหว่าง หน่วยความจำหลัก (Main Memory) และ อุปกรณ์จัดเก็บข้อมูล (Storage Devices) โดย SCM มักจะใช้ NAND Flash ร่วมกับ ฮาร์ดดิสก์ไดร์ฟ (HDD) เพื่อให้ได้สมดุลระหว่างความเร็ว และความจุ แต่ถ้าหากสามารถใช้ ReRAM แทน NAND Flash ใน SCM ได้ ก็จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของระบบจัดเก็บข้อมูลให้มีความเร็วสูงขึ้น, ลดการใช้พลังงาน และยืดอายุการใช้งานของอุปกรณ์

ในอนาคต หากต้นทุนของ ReRAM ลดลง และสามารถแก้ปัญหาทางเทคนิคได้ เทคโนโลยีนี้ก็อาจจะถูกนำไปใช้ในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ และการจัดเก็บข้อมูลมากขึ้น ไม่แน่อาจเข้ามาแทนที่ NAND Flash ในบางงานโดยเฉพาะในคุณลักษณะงานที่ต้องการหน่วยความจำที่มีประสิทธิภาพสูง,ใช้พลังงานต่ำกว่า และทนทานต่อการใช้งานหนักนั่นเอง