Qué es la memoria ReRAM (RRAM) y por qué importa

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Las memorias resistivas ReRAM o RRAM se han convertido en una de las tecnologías más prometedoras dentro del mundo del almacenamiento y la memoria de acceso aleatorio. Llevan décadas gestándose en laboratorios de todo el mundo y, aunque todavía no han dado el salto masivo al mercado de consumo, cada año van acumulando más avances, prototipos y dispositivos reales que las acercan a productos comerciales de gran escala.

Si te interesa el hardware o trabajas en electrónica, verás que la ReRAM es un concepto que aparece cada vez más en artículos, congresos y hojas de datos. No es solo una memoria, sino una familia de dispositivos basados en conmutación resistiva que prometen unir lo mejor de la memoria RAM y de la memoria flash NAND: velocidad, bajo consumo y, además, carácter no volátil. Convive además con otras propuestas emergentes como la memoria de cristal 5D.

Si te interesa el hardware o trabajas en electrónica, verás que la ReRAM es un concepto que aparece cada vez más en artículos, congresos y hojas de datos. No es solo una memoria, sino una familia de dispositivos basados en conmutación resistiva que prometen unir lo mejor de la memoria RAM y de la memoria flash NAND: velocidad, bajo consumo y, además, carácter no volátil. Vamos a desgranar con calma qué es exactamente la RRAM, cómo funciona, de dónde viene y hacia dónde apunta.

Contexto: memorias no volátiles y límites de la flash

Para entender bien por qué la RRAM aparece como candidata a memoria del futuro, hay que mirar primero al panorama actual de memorias no volátiles, dominado casi por completo por la tecnología flash, en sus variantes NOR y NAND.

Desde hace años, la flash NAND ha sido la reina del almacenamiento: SSD, tarjetas de memoria, pendrives USB, almacenamiento interno de smartphones, cámaras digitales, etc. Esta tecnología guarda la información cargando y descargando transistores de puerta flotante o estructuras de captura de carga, y permite crear chips con densidades enormes y costes por bit cada vez más bajos. Sin embargo, surgen alternativas de memoria no volátil como FeFET NAND que intentan mejorar la eficiencia energética y los límites de escalado.

El problema es que, con el escalado agresivo de las dimensiones, la flash NAND empieza a tropezar con límites físicos y de fiabilidad: aparecen corrientes de fuga inducidas por estrés (SILC), ruido tipo Random Telegraph Noise (RTN), atrapamiento de carga, desplazamientos de la tensión umbral y fuertes interferencias entre celdas adyacentes (cross-talk) a medida que se aprietan las matrices. Todo eso complica el diseño, dispara los algoritmos de corrección de errores y pone freno al escalado convencional.

En paralelo, la industria necesita memorias más rápidas, con menor consumo y mejor integración 3D, algo crítico en dispositivos móviles, centros de datos y aplicaciones de inteligencia artificial o computación intensiva en memoria. En este contexto, el International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) evaluó distintas memorias emergentes y señaló a la RRAM como una de las alternativas más sólidas para un futuro post-flash.

Un poco de historia de la ReRAM

La idea de usar películas delgadas resistivas como memoria no es nueva. Ya en los años 60, investigadores de la Universidad de Nebraska-Lincoln propusieron matrices de memoria basadas en capas resistivas. En 1967, J. G. Simmons demostró propiedades de conmutación de resistencia en estos materiales, abriendo la puerta a memorias no convencionales.

Durante los años 70, en la Universidad de Leeds se intentó explicar de forma teórica el mecanismo de esta conmutación resistiva, pero la investigación quedó eclipsada durante décadas por el rápido éxito comercial de otros tipos de memoria como la DRAM o la propia flash. La RRAM quedó en segundo plano hasta finales de los 90, cuando resurge el interés.

En 1997, un equipo de la Universidad de Florida junto con la empresa Honeywell avanzó en métodos de fabricación de memorias resistivas usando técnicas de grabado de plasma de resonancia en ciclotrón de electrones. A partir de principios de los 2000, varias compañías comenzaron a registrar patentes y prototipos de RRAM, en un goteo continuo de resultados que iban desde dispositivos de laboratorio de pocos kilobytes hasta tecnologías más maduras.

Paralelamente, el investigador Leon Chua argumentó que todos los dispositivos de memoria bi-terminales no volátiles, incluidas las RRAM, deberían considerarse memristores, el «cuarto elemento» fundamental de circuito que él mismo propuso teóricamente en 1971. Figuras como Stan Williams, de HP Labs, apoyaron esa visión y llegaron a presentar dispositivos ReRAM basados en memristores, aunque la comunidad científica ha discutido y sigue discutiendo hasta qué punto los memristores reales encajan en la teoría original.

En 2012 se produjo uno de los hitos más sonados: la empresa Rambus, muy conocida en el ámbito de memorias de alto rendimiento, adquirió la compañía Unity Semiconductor, especializada en RRAM, por 35 millones de dólares. Ese mismo año, Panasonic lanzó un kit de evaluación RRAM basado en una celda 1T1R (un transistor, una resistencia) empleando óxido de tántalo, con clara intención de acelerar su desarrollo.

En 2013, la firma Crossbar presentó un prototipo de chip RRAM del tamaño de un sello capaz de almacenar 1 TB de datos, usando una estructura de celda Ag/a-Si/Si similar a la de las memorias CBRAM basadas en plata. Anunció incluso producción a gran escala para 2015, lo que generó muchas expectativas sobre la inminente llegada de esta tecnología al mercado.

Poco después, HP mostró una oblea de chips ReRAM basados en memristores y llegó a prometer SSD con capacidades del orden de decenas de terabytes y potencialmente hasta petabytes. La realidad comercial ha sido mucho más modesta, pero estos anuncios sirvieron para impulsar la investigación y atraer financiación.

En 2014, investigadores de la Universidad de Rice presentaron un dispositivo de memoria con filamentos de silicio en un óxido de silicio poroso dieléctrico, operativo a por debajo de 2 V, con alta relación on/off, baja potencia, hasta 9 bits por celda y buena velocidad. El punto delicado era su inestabilidad en el aire, lo que obligaba a encapsularlo herméticamente.

Desde el University College London (UCL) también se reportaron resultados de conmutación resistiva en óxido de silicio usando voltajes cercanos al voltio, con tiempos de conmutación de pocos nanosegundos y millones de ciclos sin fallo en condiciones ambientales, demostrando que la RRAM podía ser rápida, duradera y compatible con procesos existentes.

En 2016, compañías como 4DS Memory y Weebit Nano anunciaron chips RRAM basados en óxido de silicio y dimensiones aptas para apilamiento similar a la 3D NAND, con el objetivo de fabricarlos en masa en foundries estándar sin grandes cambios de equipamiento.

Qué es exactamente la memoria ReRAM o RRAM

La RRAM (o ReRAM, de Resistive Random Access Memory) es una memoria de acceso aleatorio que almacena la información cambiando la resistencia eléctrica de un material dieléctrico sólido situado entre dos electrodos. A diferencia de la DRAM, no necesita condensadores que haya que refrescar constantemente, y a diferencia de la NAND flash, no basa el almacenamiento en carga atrapada en puertas flotantes.

Su característica clave es que se trata de una memoria no volátil: los datos permanecen aunque se corte la alimentación, como sucede con la NAND flash, pero con un funcionamiento interno distinto. Esta combinación de acceso aleatorio rápido y no volatilidad hace que muchos la vean como un híbrido entre DRAM y flash, al menos desde un punto de vista funcional.

En su forma más sencilla, una celda ReRAM está formada por tres capas apiladas: un electrodo superior, un electrodo inferior y una capa intermedia de material dieléctrico o de óxido metálico capaz de cambiar de resistencia. No hay un transistor que guarde carga como tal dentro de la propia celda (aunque sí puede haber un transistor de selección en arquitecturas 1T1R), y el estado lógico se codifica en el valor de resistencia: baja resistencia (LRS) frente a alta resistencia (HRS).

Cuando se aplica un cierto voltaje, en el dieléctrico se forman o se rompen filamentos conductores o caminos de conducción, que pueden deberse a migración de iones metálicos, vacantes de oxígeno u otros defectos estructurales. La presencia de ese filamento (estado de baja resistencia) se asocia a un «1», y su interrupción (estado de alta resistencia) a un «0». De este modo, mediante pulsos eléctricos de diferentes polaridades y magnitudes se puede conmutar entre ambos estados, escribiendo y borrando información.

En algunos dispositivos, el electrodo superior cede iones metálicos al dieléctrico, que se desplazan hacia el electrodo inferior y constituyen el filamento conductor cuando el campo eléctrico lo favorece. Invirtiendo la polaridad de la tensión, esos iones se redistribuyen y el filamento se rompe, aumentando la resistencia. Este mecanismo es típico de ciertas memorias de tipo CBRAM y de algunas variantes de RRAM basadas en electrolitos sólidos.

En otros casos, como las celdas de óxido de tántalo usadas por Panasonic, lo que migra son iones de oxígeno dentro del óxido metálico. Aplicando un pulso de tensión negativa al electrodo superior, los iones de oxígeno se desplazan, modifican la estequiometría local del óxido y reducen la resistencia, llevando la celda a estado conductor. Con un pulso positivo, los iones de oxígeno se mueven en sentido opuesto, aumentan la resistencia y devuelven la celda al estado aislante.

Relación con el memristor y debate terminológico

Una parte importante del interés en la RRAM se disparó cuando Leon Chua propuso identificar estos dispositivos de conmutación resistiva con el memristor teórico que él mismo había descrito como cuarto elemento fundamental de los circuitos, junto a la resistencia, el condensador y la bobina.

Investigadores como Stan Williams, desde HP Labs, defendieron que las RRAM eran memristores en la práctica, ya que su resistencia dependía del historial de tensiones y corrientes aplicadas, y podían mantener estados intermedios de resistencia. Sin embargo, otros grupos científicos han criticado esta equiparación, argumentando que no todos los dispositivos de cambio resistivo encajan rigurosamente en las ecuaciones originales del memristor ideal y que el término se ha sobregeneralizado a nivel comercial.

Hoy en día sigue habiendo a efectos prácticos debate sobre si todos los elementos basados en conmutación redox resistiva (RRAM) deben o no llamarse memristores, y hasta qué punto la teoría disponible los describe de forma completa. En cualquier caso, a efectos prácticos, las memorias RRAM se desarrollan y se caracterizan con independencia de esa discusión terminológica.

Materiales usados en RRAM y mecanismos físicos

Una de las cosas más interesantes de la RRAM es la enorme variedad de materiales con los que se han conseguido efectos de conmutación resistiva. No estamos atados a un solo compuesto, sino a una familia bastante amplia de óxidos, calcogenuros y otros sistemas.

Entre los grupos de materiales que han demostrado cambios de resistencia aprovechables para memoria se encuentran:

• Calcogenuros de cambio de fase, como Ge₂Sb₂Te₅ o aleaciones AgInSbTe, que se usan también en memorias PCM.
• Óxidos de metales de transición binarios, por ejemplo NiO o TiO₂, donde la migración de vacantes de oxígeno y cambios estructurales locales son clave.
• Perovskitas como Sr(Zr)TiO₃ o compuestos tipo PCMO, con comportamientos de conmutación complejos pero muy estudiados.
• Electrolitos de estado sólido del estilo GeS, GeSe, SiO_x o Cu₂S, adecuados para mecanismos tipo CBRAM.
• Complejos orgánicos de transferencia de carga, como CuTCNQ.
• Sistemas orgánicos donante-aceptor, por ejemplo Al/AIDCN.

Ya en 1967 se observaron cambios de resistencia en dióxido de silicio y, en los últimos años, se han retomado estos estudios con más detalle. Hoy sabemos que el movimiento de átomos de oxígeno en óxidos metálicos es un fenómeno crucial en muchas variantes de RRAM, y se ha visto que estos desplazamientos pueden darse en regiones de apenas 2 nm, lo que abre la puerta a un escalado muy agresivo.

El camino de baja resistencia puede ser muy localizado (tipo filamento) o relativamente homogéneo. En algunos dispositivos coexisten ambos mecanismos, ya sea a lo largo de la distancia entre electrodos o cerca de una de las interfaces. Midiendo la dependencia del estado de baja resistencia con el área de la celda se puede distinguir, en muchos casos, si domina un comportamiento filamentario o más distribuido.

Un factor crítico en el diseño es el llamado límite de corriente de cumplimiento, que se fija mediante resistencias externas o circuitería específica. Este límite determina cuánta corriente puede circular durante la formación del filamento y, en consecuencia, condiciona el grosor del filamento y su capacidad de conducción. Esto permite controlar mejor el estado LRS y evitar daños permanentes.

Arquitecturas de celda y matrices de RRAM

A nivel de circuito, hay varias formas de integrar las celdas ReRAM. Una de las más utilizadas en memorias de acceso aleatorio es la arquitectura 1T1R (un transistor, una resistencia), donde cada celda resistiva está asociada a un transistor de selección. Este transistor se encarga de aislar la celda seleccionada de las no seleccionadas, reduciendo corrientes parásitas y facilitando el control de lectura y escritura.

Por otro lado, existe la arquitectura de matriz de punto de cruz (crossbar), donde electrodos horizontales y verticales se cruzan y, en cada cruce, se sitúa la celda RRAM. Esta configuración es extremadamente compacta y se presta muy bien al apilamiento vertical de múltiples capas, permitiendo memorias 3D de alta densidad, ideales para almacenamiento masivo.

El inconveniente de las matrices pasivas tipo crossbar es que, al no disponer de transistor en cada cruce, el aislamiento entre celdas depende de dispositivos selectores adicionales (diodos, elementos no lineales) o del propio comportamiento no lineal del elemento RRAM. Cuando este aislamiento no es suficientemente bueno, aparecen «caminos furtivos» de corriente que atraviesan celdas no seleccionadas y limitan el tamaño de matriz escalable.

Para mitigar este problema se han propuesto soluciones como el CRS (Complementary Resistive Switching), en el que los estados de almacenamiento se representan mediante pares de configuraciones HRS/LRS y LRS/HRS, de modo que la resistencia total del dispositivo siempre es alta en reposo. Esto permite matrices pasivas más grandes porque reduce las corrientes de fuga.

Uno de los puntos delicados de las primeras implementaciones CRS era que la lectura era destructiva, basada en forzar conmutaciones y medir corrientes de cambio. Más tarde se exploraron técnicas de lectura no destructiva mediante medidas de capacidad y estructuras bi-capa que introducen una no linealidad fuerte en el estado de baja resistencia, de forma que se reduce la corriente indeseada en celdas no activas.

Otra estrategia para domar las corrientes de fuga es operar las memorias en paralelo por filas o columnas completas, realizando lecturas y operaciones de borrado conjunto, y aplicando los pulsos de escritura sólo a las celdas seleccionadas. En arquitecturas 3D-RRAM del tipo 1TNR (un transistor y N niveles de RRAM apilados verticalmente), basta con que el estado de alta resistencia tenga una no linealidad intrínseca suficientemente grande, ya que el número de capas N suele estar limitado (por ejemplo, entre 8 y 32 niveles), y esto ha permitido demostrar sistemas de RRAM de baja corriente y buena escalabilidad.

Rendimiento: velocidad, consumo y escalado

Los resultados presentados en conferencias como el IEDM (International Electron Device Meeting) han ido marcando los récords de la RRAM. En 2007 ya se sugería que las memorias resistivas podían programarse con corrientes inferiores a las de PRAM o MRAM, sin perder velocidad, retención ni resistencia a ciclos.

En 2008, ITRI demostró dispositivos RRAM con tiempos de conmutación inferiores a 10 ns y corrientes de programación por debajo de los 30 μA. En 2010, el mismo instituto reportó velocidades de conmutación por debajo de 0,3 ns, junto con mejoras de proceso que permitían rendimientos cercanos al 100 %, algo muy relevante para su producción industrial.

IMEC, por su parte, presentó en 2012 una solución RRAM con corrientes de funcionamiento de apenas 500 nA, reforzando la imagen de esta memoria como opción ideal para aplicaciones de muy baja potencia. ITRI también demostró que la RRAM podía escalarse por debajo de los 30 nm, y los estudios de movimiento de oxígeno en regiones del orden de 2 nm apuntan a que se puede seguir reduciendo el tamaño de las celdas sin perder funcionalidad.

En comparación con la PRAM, la RRAM se mueve en escalas de tiempo más rápidas (decenas de nanosegundos o menos), mientras que frente a la MRAM ofrece estructuras celulares más sencillas y compactas, con celdas potencialmente tan pequeñas como 4F² en arquitecturas verticales 1D1R (un diodo y un elemento de conmutación resistiva). Frente a la flash NAND y las memorias basadas en circuitos, también destaca por operar con tensiones más bajas, lo que contribuye a reducir aún más el consumo.

Aplicaciones reales: de microcontroladores a computación en memoria

Aunque la RRAM todavía no ha sustituido a la flash ni a la DRAM en el mercado masivo, ya existen productos comerciales y prototipos muy avanzados que integran esta tecnología.

Un ejemplo claro son los microcontroladores MN101L de Panasonic, que incorporan ReRAM interna no volátil. Estos MCUs de 8 bits disponibles a través de distribuidores como Mouser Electronics integran 64 KBytes de ReRAM: 62 KB se usan como memoria de programa, de forma análoga a una flash interna, y 2 KB se usan como área de datos, actuando como si fuese una EEPROM.

La ReRAM en estos microcontroladores necesita tan solo alrededor de 1,8 V para escribir, ofrece velocidades de escritura cinco veces superiores a flash/EEPROM convencionales y no requiere ciclo de borrado previo. La parte utilizada como memoria de programa soporta del orden de 1.000 ciclos de escritura, mientras que la dedicada a datos alcanza en torno a 100.000 ciclos, con una retención de datos de unos diez años. Todo ello con una estructura de óxido metálico de tántalo entre dos electrodos que simplifica el consumo y la velocidad de reescritura.

Otra línea muy potente de investigación se centra en la computación en memoria, buscando aliviar el cuello de botella de von Neumann. En las arquitecturas clásicas, los datos tienen que viajar constantemente entre memoria y CPU: desde el almacenamiento masivo a la RAM, de la RAM al procesador, vuelta a la RAM y finalmente a memorias no volátiles tipo ROM o flash cuando ya no se necesitan en caliente. Ese tráfico consume tiempo y energía.

La idea de computación en memoria es que la propia memoria pueda realizar algunas operaciones lógicas o aritméticas sencillas, reduciendo el volumen de transferencias a la CPU. En este terreno, la ReRAM se perfila como un candidato muy fuerte gracias a sus capacidades analógicas y resistivas. Para entender alternativas y modos de uso relacionados con memoria persistente aplicada a computación, pueden consultarse artículos sobre memoria persistente PMEM.

Investigadores de universidades alemanas como la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg y la Universität Bayreuth han desarrollado arquitecturas ReRAM capaces de implementar puertas mayoritarias y toda la lógica booleana necesaria utilizando únicamente operaciones de lectura y escritura dentro de matrices con acceso a transistor durante la lectura. Con estos enfoques se consigue reducir la latencia, bajar el consumo y evitar corrientes indeseadas entre transistores y resistores, abriendo la puerta a chips que combinen almacenamiento y procesamiento en el propio array de memoria.

En la misma línea, grupos de Singapur y Alemania han trabajado en chips basados en Redox ReRAM que actúan a la vez como memoria RAM y procesador de datos. Al almacenar y procesar la información en el mismo lugar se reduce el tiempo de tránsito de los datos y se logra un ahorro energético significativo. Los primeros resultados apuntan a aumentos muy notables de potencia efectiva y eficiencia, lo que hace pensar en aplicaciones futuras en wearables, electrónica de consumo y sistemas embebidos con grandes volúmenes de datos.

Ventajas y desventajas de la RRAM frente a otras memorias

Con todo lo anterior, queda claro que la ReRAM ofrece ventajas muy atractivas frente a las tecnologías de memoria actuales. Entre los puntos fuertes más destacados están:

• Memoria no volátil, similar a la flash, pero con comportamiento de acceso aleatorio más cercano a la RAM.
• Tiempos de conmutación muy rápidos (del orden de nanosegundos o menos), lo que la hace ideal para cachés no volátiles y memoria persistente NVDIMM.
• Posible alta densidad, con celdas de tamaño nanométrico y apilamiento 3D tipo crossbar, que permite capacidades muy elevadas.
• Consumo reducido, tanto por las bajas tensiones de operación como por las pequeñas corrientes necesarias para cambiar de estado.
• Estructuras de celda simples (dos electrodos y una capa de óxido), compatibles con procesos CMOS y con equipos ya presentes en fábricas de semiconductores.
• En ciertos diseños, ciclos de vida superiores a la NAND convencional y mejor tolerancia a la escritura intensiva.

Sin embargo, la tecnología dista de ser perfecta y todavía arrastra retos importantes que frenan su adopción masiva.

Uno de los problemas más peliagudos es la aparición de filamentos no deseados o «caminos furtivos», que pueden provocar corrientes de fuga entre celdas y alterar el valor almacenado si no se gestionan bien. Estos caminos dificultan la lectura fiable en matrices grandes y complican los esquemas de direccionamiento.

Otro factor clave es que la tecnología de memristores y RRAM sigue relativamente inmadura en comparación con la flash o la DRAM, con una gran dispersión de materiales y procesos. Los fabricantes aún no se ponen de acuerdo en la mejor forma de fabricar estos dispositivos: si apostar por óxidos de tántalo, estructuras Ag/a-Si/Si de estilo CBRAM, perovskitas, óxidos metálicos de transición como NiO o TiO₂, calcogenuros de cambio de fase como Ge₂Sb₂Te₅, etc.

Algunos de estos materiales son más caros o menos abundantes que el silicio, y otros presentan problemas de estabilidad o integración en procesos estándar. La industria de semiconductores, muy enfocada en la rentabilidad, suele preferir cambios incrementales que aprovechen el equipamiento existente, de ahí que se valore especialmente la RRAM basada en óxidos de silicio y otros materiales compatibles con líneas actuales.

Además, desde el punto de vista económico, los márgenes que ofrece hoy la RRAM todavía no son tan jugosos como los de memorias ya consolidadas. Cambiar de tecnología a gran escala implica ajustes en diseño, validación, cadenas de suministro y herramientas de simulación (SPICE, modelos compactos, etc.), por lo que los fabricantes se lo piensan dos veces antes de apostar fuerte por un reemplazo completo. La rentabilidad es un factor determinante en estas decisiones.

En el ámbito académico se está avanzando también en modelado y simulación detallada de estas memorias. Herramientas como el simulador macroscópico SIM2RRAM han permitido analizar en profundidad transiciones térmicas de reset, efectos cuánticos, influencia de la temperatura ambiente y comportamiento de diferentes pilas de materiales (por ejemplo Cu/HfO₂/Pt con respuesta lineal a bajas tensiones frente a Ni/HfO₂/Si-n+ con respuesta no lineal). De estos estudios derivan parámetros como la tensión umbral de reset (VTH_RESET), muy útiles para relacionar componentes resistivos internas y ajustar los modelos compactos empleados en diseño de circuitos.

Con todos estos ingredientes, la RRAM se encuentra a medio camino entre la promesa y la realidad comercial. No va a sustituir a la flash NAND ni a la DRAM de la noche a la mañana, pero todo apunta a que irá encontrando huecos muy concretos: microcontroladores con memoria integrada más rápida, NVDIMM para servidores, chips de computación en memoria para IA, almacenamiento embebido de muy bajo consumo, y quizás, a más largo plazo, SSD de nueva generación.

La fotografía actual muestra a la ReRAM como una tecnología con un potencial enorme, respaldada por décadas de investigación, multitud de materiales candidatos, resultados de laboratorio impresionantes y primeros productos comerciales. Le queda por delante el reto de pulir su fiabilidad, abaratar su fabricación y convencer a una industria muy conservadora, pero si logra salvar esos escollos podría cambiar de forma profunda la forma en la que almacenamos y procesamos la información en los dispositivos del futuro.