หน่วยความจำแบบโปรแกรมได้ชนิดเซลล์โลหะ ( Programmable Metallization CellหรือPMC ) เป็นหน่วยความจำคอมพิวเตอร์แบบไม่ระเหย ที่พัฒนาขึ้นที่มหาวิทยาลัยรัฐแอริโซนา PMC เป็นเทคโนโลยีที่พัฒนาขึ้นเพื่อทดแทนหน่วยความจำแฟลช ที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย โดยให้คุณสมบัติที่รวมกันระหว่างอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น การใช้พลังงานต่ำลง และความหนาแน่นของหน่วยความจำที่ดีขึ้นInfineon Technologiesซึ่งได้รับสิทธิ์ใช้งานเทคโนโลยีนี้ในปี 2547 เรียกเทคโนโลยีนี้ว่า RAM แบบเชื่อมต่อด้วยตัวนำ (Conductive-Bridging RAMหรือCBRAM ) CBRAM กลายเป็นเครื่องหมายการค้าจดทะเบียนของAdesto Technologiesในปี 2554 ^{[ 1 ]} NECมีรุ่นย่อยที่เรียกว่า "Nanobridge" และSonyเรียกเวอร์ชันของตนว่า "หน่วยความจำอิเล็กโทรไลติก"

PMC เป็นเทคโนโลยี หน่วยความจำแบบต้านทานสองขั้วที่พัฒนาขึ้นที่มหาวิทยาลัยรัฐแอริโซนา PMC เป็นหน่วยความจำแบบโลหะอิเล็กโทรเคมีที่อาศัย ปฏิกิริยา รีดอกซ์ในการสร้างและสลายเส้นใยนำไฟฟ้า^{[ 2 ]} สถานะของอุปกรณ์ถูกกำหนดโดยความต้านทานระหว่างขั้วทั้งสอง การมีเส้นใยอยู่ระหว่างขั้วทำให้เกิดสถานะความต้านทานต่ำ (LRS) ในขณะที่การไม่มีเส้นใยทำให้เกิดสถานะความต้านทานสูง (HRS) อุปกรณ์ PMC ทำจากอิเล็กโทรดโลหะแข็งสองขั้ว ขั้วหนึ่งค่อนข้างเฉื่อย (เช่นทังสเตนหรือนิกเกล ) อีกขั้วหนึ่งมีฤทธิ์ทางไฟฟ้าเคมี (เช่นเงินหรือทองแดง ) โดยมีฟิล์มบางๆของ อิเล็ก โทรไลต์แข็งอยู่ระหว่างกัน^{[ 3 ]}

สถานะความต้านทานของ PMC ถูกควบคุมโดยการก่อตัว (การตั้งโปรแกรม) หรือการสลายตัว (การลบ) ของเส้นใยนำไฟฟ้าโลหะระหว่างขั้วทั้งสองของเซลล์ เส้นใยที่เกิดขึ้นจะมีโครงสร้างคล้าย ต้นไม้แบบแฟรกทัล

PMC อาศัยการก่อตัวของเส้นใยนำไฟฟ้าโลหะเพื่อเปลี่ยนไปสู่สถานะความต้านทานต่ำ (LRS) เส้นใยนี้ถูกสร้างขึ้นโดยการให้แรงดันไบแอสบวก ( V ) กับ ขั้ว แอโนด (โลหะแอคทีฟ) ในขณะที่ต่อลงดินที่ ขั้ว แคโทด (โลหะเฉื่อย) แรงดันไบแอสบวกจะทำให้โลหะแอคทีฟ (M) เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน:

M → M ⁺ + e ⁻

แรงดันไฟฟ้าที่ป้อนเข้าไปจะสร้างสนามไฟฟ้า ขึ้น ระหว่างขั้วโลหะทั้งสอง ไอออนของโลหะที่แตกตัวเป็นไอออน (ออกซิไดซ์) จะเคลื่อนที่ไปตามสนามไฟฟ้าไปยังขั้วแคโทด ที่ขั้วแคโทด ไอออนของโลหะจะถูกรีดิวซ์ :

M ⁺ + e ⁻ → M

เมื่อโลหะแอคทีฟตกตะกอนบนแคโทด สนามไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นระหว่างแอโนดและตะกอน การเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟ้าเฉพาะที่ ( E ) ระหว่างเส้นใยที่กำลังเติบโตและแอโนดสามารถอธิบายอย่างง่ายๆ ได้ดังนี้:

${\displaystyle E=-{\frac {V}{d}}}$

โดยที่dคือระยะห่างระหว่างขั้วบวกและส่วนบนของเส้นใยที่กำลังเติบโต เส้นใยจะเติบโตเพื่อเชื่อมต่อกับขั้วบวกภายในไม่กี่นาโนวินาที^{[ 4 ]} ไอออนโลหะจะยังคงถูกรีดิวซ์ที่เส้นใยต่อไปจนกว่าจะถอดแรงดันไฟฟ้าออก ทำให้เส้นใยนำไฟฟ้ากว้างขึ้นและลดความต้านทานของการเชื่อมต่อเมื่อเวลาผ่านไป เมื่อถอดแรงดันไฟฟ้าออก เส้นใยนำไฟฟ้าจะยังคงอยู่ ทำให้อุปกรณ์อยู่ในสถานะ LRS

เส้นใยนำไฟฟ้าอาจไม่ต่อเนื่อง แต่เป็นโซ่ของเกาะอิเล็กโทรดโพซิตหรือนาโนคริสตัล^{[ 5 ]}ซึ่งมีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นที่กระแสการโปรแกรมต่ำ (น้อยกว่า 1 μA )ในขณะที่กระแสการโปรแกรมที่สูงขึ้นจะนำไปสู่ตัวนำโลหะเป็นส่วนใหญ่

สามารถ "ลบ" PMC ให้กลับไปอยู่ในสถานะความต้านทานสูง (HRS) ได้โดยการใช้แรงดันไบแอสลบกับขั้วแอโนด กระบวนการรีดอกซ์ที่ใช้ในการสร้างเส้นใยนำไฟฟ้าจะกลับทิศทาง และไอออนโลหะจะเคลื่อนที่ไปตามสนามไฟฟ้าที่กลับทิศทางเพื่อรีดิวซ์ที่หน้าสัมผัสแอโนด เมื่อเอาเส้นใยออกแล้ว PMC จะมีลักษณะคล้ายกับตัวเก็บประจุ แบบแผ่นขนาน ที่มีความต้านทานสูงหลายเมกะโอห์มถึงกิกะโอห์มระหว่างหน้าสัมผัส

สามารถอ่านค่า PMC แต่ละตัวได้โดยการจ่ายแรงดันไฟฟ้าเล็กน้อยคร่อมเซลล์ ตราบใดที่แรงดันไฟฟ้าที่ใช้ในการอ่านน้อยกว่าทั้งแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์สำหรับการเขียนโปรแกรมและการลบ ทิศทางของแรงดันไฟฟ้าจะไม่สำคัญ

CBRAM แตกต่างจาก ReRAM ชนิดโลหะออกไซด์ตรงที่สำหรับ CBRAM ไอออนโลหะจะละลายในวัสดุระหว่างขั้วไฟฟ้าทั้งสองได้ง่าย ในขณะที่สำหรับโลหะออกไซด์ วัสดุระหว่างขั้วไฟฟ้าต้องการสนามไฟฟ้าสูงซึ่งทำให้เกิดความเสียหายเฉพาะที่คล้ายกับการแตกตัวของฉนวนทำให้เกิดร่องรอยของข้อบกพร่องที่นำไฟฟ้าได้ (บางครั้งเรียกว่า "ฟิลาเมนต์") ดังนั้นสำหรับ CBRAM ขั้วไฟฟ้าหนึ่งต้องให้ไอออนที่ละลาย ในขณะที่สำหรับ RRAM ชนิดโลหะออกไซด์ ต้องมีขั้นตอน "การสร้าง" เพียงครั้งเดียวเพื่อสร้างความเสียหายเฉพาะที่

หน่วยความจำแบบไม่ลบเลือนชนิดโซลิดสเตท ที่ใช้กันมากที่สุดคือ หน่วยความจำแฟลชซึ่งกำลังถูกนำไปใช้ในบทบาทส่วนใหญ่ที่เคยใช้โดยฮาร์ดไดรฟ์อย่างไรก็ตาม หน่วยความจำแฟลชก็มีปัญหาที่นำไปสู่ความพยายามมากมายในการพัฒนาผลิตภัณฑ์มาทดแทน

เทคโนโลยีแฟลชใช้ หลักการของ เกตลอยตัวซึ่งโดยพื้นฐานแล้วคือทรานซิสเตอร์ที่ได้รับการดัดแปลง ทรานซิสเตอร์แฟลชแบบดั้งเดิมมีขั้วต่อสามขั้ว ได้แก่ แหล่งกำเนิด (source), เดรน (drain) และเกต (gate) เกตเป็นส่วนประกอบที่สำคัญที่สุดของทรานซิสเตอร์ ทำหน้าที่ควบคุมความต้านทานระหว่างแหล่งกำเนิดและเดรน จึงทำหน้าที่เป็นสวิตช์ ในทรานซิสเตอร์เกตลอยตัว เกตจะเชื่อมต่อกับชั้นที่ดักจับอิเล็กตรอน ทำให้มันอยู่ในสถานะเปิด (หรือปิด) เป็นเวลานาน เกตลอยตัวสามารถเขียนทับได้โดยการปล่อยกระแสไฟฟ้าปริมาณมากผ่านวงจรตัวส่งและตัวรับ

กระแสไฟฟ้าปริมาณมากนี้เป็นข้อเสียหลักของหน่วยความจำแฟลช และมีเหตุผลหลายประการ ประการแรก การจ่ายกระแสไฟฟ้าแต่ละครั้งจะทำให้เซลล์เสื่อมสภาพลง จนในที่สุดเซลล์จะไม่สามารถเขียนข้อมูลได้อีกต่อไป โดยทั่วไปแล้ว รอบการเขียนจะอยู่ที่ประมาณ 10⁵ ^ถึง 10⁶ ^รอบซึ่งจำกัดการใช้งานของแฟลชเฉพาะในงานที่ไม่ต้องมีการเขียนข้อมูลอย่างต่อเนื่อง นอกจากนี้ กระแสไฟฟ้ายังต้องการวงจรภายนอกในการสร้าง โดยใช้ระบบที่เรียกว่าปั๊มประจุ ปั๊มประจุต้องใช้กระบวนการชาร์จที่ค่อนข้างยาวนาน ทำให้การเขียนช้ากว่าการอ่านมาก และปั๊มประจุยังต้องการพลังงานมากกว่ามาก ดังนั้น แฟลชจึงเป็นระบบ "ไม่สมมาตร" มากกว่าRAMหรือฮาร์ดไดรฟ์ ทั่วไป

อีกปัญหาหนึ่งของแฟลชคือ เกตลอยตัวเกิดการรั่วไหล ทำให้ประจุค่อยๆ ปล่อยออกมา ปัญหานี้แก้ไขได้โดยการใช้ฉนวนที่มีประสิทธิภาพสูงล้อมรอบ แต่ฉนวนเหล่านี้ต้องมีขนาดทางกายภาพที่เหมาะสมจึงจะใช้งานได้ และยังต้องมีรูปแบบทางกายภาพ ที่เฉพาะเจาะจง ซึ่งแตกต่างจากรูปแบบ CMOSทั่วไปทำให้ต้องมีการนำเทคนิคการผลิตใหม่ๆ มาใช้หลายอย่าง เมื่อขนาดของแฟลชลดลงอย่างรวดเร็ว การรั่วไหลของประจุก็ยิ่งกลายเป็นปัญหามากขึ้น ซึ่งนำไปสู่การคาดการณ์ว่าแฟลชจะล่มสลาย อย่างไรก็ตาม การลงทุนในตลาดอย่างมหาศาลได้ผลักดันการพัฒนาแฟลชในอัตราที่เกินกว่ากฎของมัวร์และโรงงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้กระบวนการ 30 นาโนเมตรก็เริ่มดำเนินการในปลายปี 2550

เมื่อเปรียบเทียบกับแฟลช PMC จะเขียนด้วยพลังงานที่ค่อนข้างต่ำและด้วยความเร็วสูง ความเร็วจะแปรผกผันกับพลังงานที่ใช้ (ถึงจุดหนึ่ง มีข้อจำกัดทางกลไก) ดังนั้นประสิทธิภาพจึงสามารถปรับแต่งได้^{[ 6 ]}

ในทางทฤษฎี PMC สามารถปรับขนาดให้เล็กกว่าแฟลชได้มาก ในทางทฤษฎีแล้วเล็กได้ถึงความกว้างเพียงไม่กี่ไอออน ไอออนทองแดงมีขนาดประมาณ 0.75 อังสตรอม^{[ 7 ]}ดังนั้นความกว้างของเส้นในระดับนาโนเมตรจึงเป็นไปได้ PMC ได้รับการส่งเสริมให้มีโครงสร้างที่เรียบง่ายกว่าแฟลช^{[ 6 ]}

เทคโนโลยี PMC ได้รับการพัฒนาโดย Michael Kozicki ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้าที่มหาวิทยาลัยรัฐแอริโซนาในช่วงทศวรรษ 1990 ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] ระบบ PMC ทดลองในช่วงแรก นั้น} ใช้ แก้ว เจอร์มาเนียมเซเลไนด์ ที่เจือด้วยเงิน งานวิจัยได้เปลี่ยนไปใช้สารอิ ^{เล็ก โทรไลต์เจอร์มาเนียมซัลไฟ ด์}ที่เจือด้วยเงิน และจากนั้นก็เปลี่ยนไปใช้สารอิเล็กโทรไลต์เจอร์มาเนียมซัลไฟด์ที่เจือด้วยทองแดง^{[ 4 ]} มีความสนใจในอุปกรณ์เจอร์มาเนียมเซเลไนด์ที่เจือด้วยเงินอีกครั้งเนื่องจากมีค่าความต้านทานสูงมาก แก้ว PMC ซิลิคอนไดออกไซด์ที่เจือด้วยทองแดงจะเข้ากันได้กับกระบวนการ ผลิต CMOS

ในปี 1996 บริษัท Axon Technologies ก่อตั้งขึ้นเพื่อนำเทคโนโลยี PMC มาใช้ในเชิงพาณิชย์ บริษัท Micron Technologyประกาศความร่วมมือกับ PMC ในปี 2002 ^{[ 15 ]}บริษัท Infineonตามมาในปี 2004 ^{[ 16 ]}เทคโนโลยี PMC ได้รับการอนุญาตให้ใช้โดยบริษัท Adesto Technologies ในปี 2007 ^{[ 6 ]} Infineon ได้แยกธุรกิจหน่วยความจำออกไปให้กับ บริษัท Qimondaซึ่งต่อมาได้ขายให้กับ Adesto Technologies บริษัทได้รับทุนสนับสนุนจาก DARPA ในปี 2010 เพื่อการวิจัยเพิ่มเติม ^{[ 17 ]}

ในปี 2554 Adesto Technologies ได้ร่วมมือกับบริษัทAltis Semiconductor ของฝรั่งเศส เพื่อพัฒนาและผลิต CBRAM ^{[ 18 ]} ในปี 2556 Adesto ได้นำเสนอผลิตภัณฑ์ CBRAM ตัวอย่างซึ่งมีชิ้นส่วนขนาด 1 เมกะบิตที่ได้รับการส่งเสริมให้มา^{แทนที่} EEPROM [ ^{19 ]}

NEC ได้พัฒนาเทคโนโลยีที่เรียกว่านาโนบริดจ์ โดยใช้ Cu2S _{หรือ แทนทาลัมเพนท อก} ไซ ด์เป็นวัสดุไดอิเล็กทริก โดยทองแดง (ที่เข้ากันได้กับโลหะทองแดงของ IC) จะทำให้ทองแดงเคลื่อนที่ผ่าน Cu2S _หรือ Ta2O5 _{ทำให้}เกิดหรือตัดการลัดวงจรระหว่างอิเล็กโทรดทองแดงและรูเทเนียม^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]}

หน่วยความจำประเภทนี้ส่วนใหญ่ใช้ในงานด้านอวกาศ เนื่องจากมีคุณสมบัติทนทานต่อรังสีได้ดี

• หน่วยความจำเข้าถึงแบบสุ่มคงที่

• บริษัท แอ็กซอน เทคโนโลยีส์ คอร์ปอเรชั่น
• ไมเคิล เอ็น. โคซิกกี
• บริษัท เอเดสโต เทคโนโลยีส์