Память с изменением фазы

Память с фазовым переходом (также известная как PCM , PCME , PRAM , PCRAM , OUM ( объединенная память овоников ) и C-RAM или CRAM ( халькогенидная RAM ) - это тип энергонезависимой памяти с произвольным доступом . PRAM используют уникальное поведение халькогенидное стекло . В старом поколении ПКМ тепло, выделяемое при прохождении электрического тока через нагревательный элемент, обычно изготовленный из нитрида титана, использовалось для быстрого нагрева и закалки стекла, делая его аморфным., или удерживать его в диапазоне температур кристаллизации в течение некоторого времени, тем самым переключая его в кристаллическое состояние. PCM также имеет возможность достигать ряда различных промежуточных состояний, тем самым имея возможность удерживать несколько битов в одной ячейке, но трудности программирования ячеек таким образом не позволяют реализовать эти возможности в других технологиях (в первую очередь, в флэш-памяти). память ) с такой же способностью.

Новые технологии PCM имеют два разных направления. Одна группа с переменным успехом проводила множество исследований в направлении попыток найти жизнеспособные материальные альтернативы Ge ₂ Sb ₂ Te ₅ (GST). Другая группа разработала использование сверхрешетки GeTe – Sb ₂ Te ₃ для достижения нетепловых фазовых изменений путем простого изменения координационного состояния атомов германия с помощью лазерного импульса. Эта новая межфазная память с изменением фазы (IPCM) добилась многих успехов и продолжает оставаться местом активных исследований. ^[1]

Леон Чуа утверждал, что все двухконтактные устройства с энергонезависимой памятью, включая PCM, следует рассматривать как мемристоры . ^[2] Стэн Уильямс из HP Labs также утверждал, что PCM следует рассматривать как мемристор . ^[3] Однако эта терминология подверглась сомнению, и потенциальная применимость теории мемристоров к любому физически реализуемому устройству остается под вопросом. ^{[4] [5]}

Фон [ править ]

В 1960-х годах Стэнфорд Р. Овшинский из Energy Conversion Devices впервые исследовал свойства халькогенидных стекол как потенциальной технологии памяти. В 1969 году Чарльз Си опубликовал диссертацию ^{[6] [7]} в Университете штата Айова, в которой описана и продемонстрирована возможность использования устройства с фазовой памятью путем интеграции халькогенидной пленки с диодной решеткой. Кинематографическое исследование 1970 года установило, что механизм памяти с фазовым переходом в халькогенидном стекле включает рост кристаллических волокон, индуцированный электрическим полем. ^{[8] [9]} В вопросе сентября 1970 года электроники , Гордон Мур , соучредитель Intel, опубликовал статью о технологии. Однако проблемы с качеством материалов и энергопотреблением не позволили коммерциализировать технологию. Совсем недавно интерес и исследования возобновились, поскольку ожидается, что технологии флэш-памяти и памяти DRAM столкнутся с трудностями масштабирования по мере сокращения литографии чипов . ^[10]

Кристаллическое и аморфное состояния халькогенидного стекла имеют резко разные значения удельного электрического сопротивления . Аморфное состояние с высоким сопротивлением представляет собой двоичный 0, в то время как кристаллическое состояние с низким сопротивлением представляет собой 1. ^{[ необходима цитата ]} Халькогенид - это тот же материал, который используется в перезаписываемых оптических носителях (таких как CD-RW и DVD-RW ). В этих случаях изменяются оптические свойства материала, а не его удельное электрическое сопротивление, поскольку показатель преломления халькогенида также изменяется в зависимости от состояния материала.

Хотя PRAM еще не достигла стадии коммерциализации для потребительских электронных устройств, почти все прототипы устройств используют халькогенидный сплав германия , сурьмы и теллура ( GeSbTe ), называемый GST. Стехиометрии или Ge: Sb: отношение элемента Те 2: 2: 5. Когда GST нагревается до высокой температуры (более 600 ° C), его халькогенидная кристалличность теряется. После охлаждения он застывает в аморфном стеклоподобном состоянии ^[11], и его электрическое сопротивление велико. Нагревая халькогенид до температуры выше его точки кристаллизации , но ниже точки плавления, он перейдет в кристаллическое состояние с гораздо меньшим сопротивлением. Время завершения этого фазового перехода зависит от температуры. Более холодным частям халькогенида требуется больше времени для кристаллизации, а перегретые части могут быть переплавлены. Обычно используется шкала времени кристаллизации порядка 100 нс. ^[12] Это больше, чем у обычных устройств энергозависимой памяти, таких как современные DRAM , время переключения которых составляет порядка двух наносекунд. Однако заявка на патент Samsung Electronics в январе 2006 года указывает, что PRAM может достигать времени переключения до пяти наносекунд.

Более недавний прогресс, изобретенный Intel и ST Microelectronics, позволяет более тщательно контролировать состояние материала, позволяя преобразовывать его в одно из четырех различных состояний; предыдущие аморфные или кристаллические состояния, а также два новых частично кристаллических. Каждое из этих состояний имеет разные электрические свойства, которые можно измерить во время чтения, что позволяет одной ячейке представлять два бита, удваивая плотность памяти. ^[13]

PRAM против Flash [ править ]

Время переключения PRAM и присущая ему масштабируемость ^[14] делают его наиболее привлекательным. Температурная чувствительность PRAM, пожалуй, является его наиболее заметным недостатком, который может потребовать изменений в производственном процессе производителей, использующих эту технологию.

Флэш-память работает путем модуляции заряда ( электронов ), хранящегося в затворе МОП-транзистора . Затвор сконструирован со специальной «стопкой», предназначенной для улавливания зарядов (либо на плавающем затворе, либо в «ловушках» изолятора ). Наличие заряда внутри затвора смещает пороговое напряжение транзистора , выше или ниже, например, от 1 до 0. Изменение состояния бита требует удаления накопленного заряда, что требует относительно большого напряжения, чтобы «отсосать» электроны от плавающего затвора. Этот скачок напряжения обеспечивается зарядным насосом.${\ Displaystyle \, В _ {\ mathrm {th}}}$, что требует времени для увеличения мощности. Общее время записи для обычных флэш-устройств составляет порядка 100 мкс (для блока данных), что примерно в 10 000 раз больше типичного времени чтения 10 нс, например, для SRAM (для байта).

PRAM может предложить гораздо более высокую производительность в приложениях, где важна быстрая запись, как потому, что элемент памяти можно переключать быстрее, так и потому, что отдельные биты могут быть изменены на 1 или 0 без необходимости сначала стирать весь блок ячеек. Высокая производительность PRAM, в тысячи раз быстрее, чем у обычных жестких дисков, делает ее особенно интересной в ролях энергонезависимой памяти, производительность которых в настоящее время ограничена временем доступа к памяти.

Кроме того, при использовании Flash каждый скачок напряжения на ячейке вызывает ухудшение характеристик. По мере уменьшения размера ячеек ущерб от программирования возрастает, поскольку напряжение, необходимое для программирования устройства, не зависит от литографии. Большинство флеш-устройств в настоящее время рассчитаны только на 5000 операций записи на сектор, и многие контроллеры флеш-памяти выполняют выравнивание износа для распределения операций записи по многим физическим секторам.

Устройства PRAM также ухудшаются по мере использования по другим причинам, чем Flash, но деградируют намного медленнее. Устройство PRAM может выдержать около 100 миллионов циклов записи. ^[15] Срок службы PRAM ограничен такими механизмами, как деградация из-за теплового расширения GST во время программирования, миграция металла (и других материалов) и другие механизмы, которые до сих пор неизвестны. Помимо ограничения времени жизни, ограниченная стойкость к записи также делает PRAM уязвимым для атак записи, поскольку злоумышленник может многократно записывать в ячейку, чтобы заставить ее выйти из строя. ^[16] Некоторые исследователи предложили методы решения этой проблемы безопасности. ^[16]

Детали вспышки можно запрограммировать перед тем, как припаять к плате , или даже приобрести заранее запрограммированными. Однако содержимое PRAM теряется из-за высоких температур, необходимых для припайки устройства к плате (см. Пайку оплавлением или пайку волной ). Ситуация усугубляется недавним стремлением к бессвинцовому производству, требующему более высоких температур пайки. Изготовитель, использующий детали PRAM, должен предоставить механизм для программирования PRAM «в системе» после того, как он будет припаян на место.

Специальные вентили, используемые во флеш-памяти, со временем «пропускают» заряд (электроны), вызывая повреждение и потерю данных. Удельное сопротивление элемента памяти в PRAM более стабильно; прогнозируется, что при нормальной рабочей температуре 85 ° C данные сохранятся в течение 300 лет. ^[17]

Тщательно регулируя количество заряда, хранящегося на затворе, флэш-устройства могут хранить несколько (обычно два) бит в каждой физической ячейке. Фактически это удваивает плотность памяти, снижая стоимость. Изначально устройства PRAM хранили только один бит в каждой ячейке, но последние достижения Intel устранили эту проблему.

Поскольку флэш-устройства улавливают электроны для хранения информации, они подвержены повреждению данных из-за излучения, что делает их непригодными для многих космических и военных приложений. PRAM демонстрирует более высокую устойчивость к радиации.

Селекторы ячеек PRAM могут использовать различные устройства: диоды , BJT и MOSFET.. Использование диода или BJT обеспечивает наибольшую силу тока для данного размера ячейки. Однако проблема с использованием диода проистекает из паразитных токов в соседних ячейках, а также из-за более высоких требований к напряжению, что приводит к более высокому энергопотреблению. Из-за того, что сопротивление халькогенида обязательно больше, чем у диода, рабочее напряжение должно превышать 1 В с большим запасом, чтобы гарантировать адекватный прямой ток смещения диода. Возможно, наиболее серьезным последствием использования матрицы с диодной селекцией, в частности, для больших массивов, является полный ток утечки обратного смещения из невыбранных разрядных линий. В массивах, выбранных транзисторами, только выбранные разрядные линии вносят вклад в ток утечки обратного смещения. Разница в токах утечки составляет несколько порядков.Еще одна проблема, связанная с масштабированием ниже 40 нм, - это влияние дискретных примесей при уменьшении ширины pn перехода. Селекторы на основе тонкой пленки обеспечивают более высокую плотность при использовании <4 F² ячейки путем укладки слоев памяти по горизонтали или вертикали. Часто возможности изоляции уступают использованию транзисторов, если соотношение включения / выключения для селектора недостаточно, что ограничивает возможность работы с очень большими массивами в этой архитектуре. Пороговый переключатель на основе халькогенидов был продемонстрирован как жизнеспособный селектор для массивов PCM высокой плотности ^[18]

2000 и позже [ править ]

В августе 2004 года Nanochip лицензировала технологию PRAM для использования в устройствах хранения датчиков MEMS (микро-электрические-механические системы). Эти устройства не являются твердотельными. Вместо этого очень маленький диск, покрытый халькогенидом, протаскивают под множеством (тысячами или даже миллионами) электрических датчиков, которые могут считывать и записывать халькогенид. Технология микроперемещения Hewlett-Packard может точно позиционировать пластину с точностью до 3 нм, поэтому при усовершенствовании технологии возможна плотность более 1 Тбит (125 ГБ) на квадратный дюйм. Основная идея состоит в том, чтобы уменьшить количество проводов, необходимых на кристалле; Вместо того, чтобы соединять каждую ячейку, ячейки располагаются ближе друг к другу и считываются током, проходящим через датчики MEMS, действующие как провода. Этот подход очень похож на многоножку IBM. технологии.

Ячейка Samsung 46,7 нм [ править ]

В сентябре 2006 года Samsung анонсировала прототип устройства на 512 МБ (64 МБ) с диодными переключателями. ^[19] Объявление стало неожиданностью и особенно примечательно своей довольно высокой плотностью. Прототип имел размер ячейки всего 46,7 нм, что меньше, чем у коммерческих Flash-устройств, доступных в то время. Хотя были доступны флэш-устройства большей емкости (64 ГБ, или 8 ГБ, только что выходили на рынок), другие технологии, конкурирующие за замену Flash, в целом предлагали более низкие плотности (большие размеры ячеек). Единственные производственные MRAM и FeRAMустройства всего 4 Мб, например. Высокая плотность прототипа устройства PRAM от Samsung предполагает, что он может быть жизнеспособным конкурентом Flash, и не ограничивается нишевыми ролями, как другие устройства. PRAM оказался особенно привлекательным в качестве потенциальной замены NOR Flash, емкость устройств которого обычно отстает от возможностей устройств NAND Flash. (Современная емкость NAND превысила 512 Мб некоторое время назад.) NOR Flash предлагает плотность, аналогичную прототипу Samsung PRAM, и уже предлагает адресацию по битам (в отличие от NAND, где доступ к памяти осуществляется в банках по много байтов за раз).

Устройство Intel PRAM [ править ]

За заявлением Samsung последовало заявление от Intel и STMicroelectronics , которые продемонстрировали свои собственные устройства PRAM на форуме Intel Developer Forum 2006 в октябре. ^[20] Они показали деталь размером 128 Мб, которую начали производить в исследовательской лаборатории STMicroelectronics в Аграте, Италия. Intel заявила, что устройства были строго экспериментальными.

Устройство BAE [ править ]

PRAM также является многообещающей технологией в военной и аэрокосмической промышленности, где радиационные эффекты делают непрактичным использование стандартных энергонезависимых запоминающих устройств, таких как Flash. Устройства памяти PRAM были представлены BAE Systems , называемые C-RAM, заявив о превосходной радиационной стойкости (радиационно -жесткой ) и невосприимчивости к защелкам . Кроме того, BAE заявляет о продолжительности цикла записи 10 ⁸ , что позволит ей стать претендентом на замену PROM и EEPROM в космических системах.

Многоуровневая ячейка [ править ]

В феврале 2008 года Intel и STMicroelectronics представили первый прототип многоуровневого ( MLC ) массива PRAM. Прототип хранил два логических бита в каждой физической ячейке, фактически 256 МБ памяти, хранящейся в физическом массиве 128 МБ. Это означает, что вместо двух обычных состояний - полностью аморфного и полностью кристаллического - два дополнительных промежуточных состояния представляют разные степени частичной кристаллизации, что позволяет хранить вдвое больше битов в одной и той же физической области. ^[13] В июне 2011 года ^[21] IBM объявила о создании стабильной, надежной, многобитовой памяти с фазовым переходом, высокой производительности и стабильности. Некоторые инструменты позволяют моделировать площадь / задержку / энергию MLC PCM. ^[22]

Устройство Intel 90 нм [ править ]

Также в феврале 2008 года Intel и STMicroelectronics отправили клиентам прототипы своего первого продукта PRAM. Продукт 90 нм, 128 МБ (16 МБ) получил название Alverstone. ^[23]

В июне 2009 года Samsung и Numonyx BV объявили о совместных усилиях по разработке специализированных аппаратных продуктов PRAM. ^[24]

В апреле 2010 года ^[25] Numonyx анонсировал линейку 128-мегабитных NOR-совместимых запоминающих устройств с фазовым переходом от Omneo. Компания Samsung анонсировала поставку 512 МБ оперативной памяти с фазовым переходом (PRAM) в многокристальном корпусе (MCP) для использования в мобильных телефонах к осени 2010 года.

Алюминий / сурьма [ править ]

Устройства с фазовой памятью на основе германия, сурьмы и теллура представляют собой производственные проблемы, поскольку травление и полировка материала халькогенами может изменить состав материала. Материалы на основе Al и Sb термически более стабильны, чем Ge-Sb-Te. Al ₅₀ Sb ₅₀ имеет три различных уровня сопротивления, предлагая возможность хранить три бита данных в двух ячейках вместо двух (девять состояний, возможных для пары ячеек, использование восьми из этих состояний дает log ₂  8 = 3 бита). ^{[26] [27]}

Проблемы [ править ]

Самой большой проблемой для памяти с изменением фазы является требование высокой плотности тока программирования (> 10 ⁷  А / см² по сравнению с 10 ⁵ ... 10 ⁶  А / см² для типичного транзистора или диода). ^{[ необходима цитата ]} Другой фундаментальной проблемой является контакт между областью горячего фазового перехода и прилегающим диэлектриком. Диэлектрик может начать пропускать ток при более высокой температуре или может потерять адгезию при расширении со скоростью, отличной от скорости материала с фазовым переходом.

Память с фазовым переходом имеет высокую задержку записи и высокую энергию, что создает проблемы при ее использовании, хотя в последнее время было предложено множество методов для решения этой проблемы. ^{[28] [29]}

Память с изменением фазы чувствительна к фундаментальному компромиссу: непреднамеренное и преднамеренное изменение фазы. Это связано, прежде всего, с тем фактом, что фазовый переход является термически управляемым процессом, а не электронным процессом. Температурные условия, обеспечивающие быструю кристаллизацию, не должны быть слишком похожи на условия ожидания, например, комнатная температура. В противном случае сохранение данных невозможно. При правильной энергии активации для кристаллизации можно иметь быструю кристаллизацию в условиях программирования, в то же время имея очень медленную кристаллизацию при нормальных условиях.

Вероятно, самой большой проблемой для памяти с изменением фазы является ее долговременное сопротивление и дрейф порогового напряжения. ^[30] Сопротивление аморфного состояния медленно увеличивается по степенному закону (~ t ^0,1 ). Это сильно ограничивает возможность многоуровневой работы (более низкое промежуточное состояние может быть перепутано с более высоким промежуточным состоянием в более позднее время), а также может поставить под угрозу стандартную работу с двумя состояниями, если пороговое напряжение превышает расчетное значение.

В апреле 2010 года Numonyx выпустила линейку чипов Omneo для параллельного и последовательного интерфейса 128 Мб NOR flash, заменяющих чипы PRAM. Хотя микросхемы флэш-памяти ИЛИ-НЕ, которые они намеревались заменить, работали в диапазоне -40 ... 85 ° C, микросхемы PRAM работали в диапазоне 0 ... 70 ° C, что указывает на меньшее рабочее окно по сравнению с флэш-памятью ИЛИ-НЕ. Вероятно, это связано с использованием высокотемпературных p − n-переходов для обеспечения высоких токов, необходимых для программирования.

Хронология [ править ]

• Январь 1955 : Коломиец и Горунова раскрыли полупроводниковые свойства халькогенидных стекол . ^{[31] [32]}
• Сентябрь 1966 : Стэнфорд Овшинский подает первый патент на технологию фазового перехода.
• Январь 1969 : Чарльз Х. Си опубликовал в Университете штата Айова диссертацию о халькогенидном устройстве памяти с фазовым переходом.
• Июнь 1969 : Патент США 3448302 (Shanefield), выданный Овшинскому, утверждает первую надежную работу устройства PRAM.
• Сентябрь 1970 : Гордон Мур публикует исследование в журнале Electronics Magazine.
• Июнь 1999 : создано совместное предприятие «Овоникс» для коммерциализации технологии PRAM.
• Ноябрь 1999 : Lockheed Martin работает с Ovonyx над PRAM для космических приложений.
• Февраль 2000 : Intel инвестирует в Ovonyx, лицензирует технологию.
• Декабрь 2000 : ST Microelectronics лицензирует технологию PRAM у Ovonyx.
• Март 2002 : Macronix подает заявку на патент на безтранзисторную PRAM.
• Июль 2003 : Samsung начинает работу над технологией PRAM.
• С 2003 по 2005 год : заявки на патенты, связанные с PRAM, поданы Toshiba, Hitachi, Macronix, Renesas, Elpida, Sony, Matsushita, Mitsubishi, Infineon и другими.
• Август 2004 : Nanochip лицензирует технологию PRAM от Ovonyx для использования в хранилище датчиков MEMS.
• Август 2004 : Samsung анонсирует успешный 64-мегабитный массив PRAM.
• Февраль 2005 : Elpida лицензирует технологию PRAM у Ovonyx.
• Сентябрь 2005 : Samsung объявляет об успешном выпуске 256-мегабитного массива PRAM, рекламирует ток программирования 400 мкА.
• Октябрь 2005 г . : Intel увеличивает инвестиции в «Овоникс».
• Декабрь 2005 г . ; Hitachi и Renesas анонсируют 1,5 В PRAM с током программирования 100 мкА
• Декабрь 2005 г . : Samsung лицензирует технологию PRAM у Ovonyx.
• Июль 2006 : BAE Systems начинает продажу первого коммерческого чипа PRAM.
• Сентябрь 2006 г . : Samsung анонсирует устройство PRAM емкостью 512 Мбит.
• Октябрь 2006 : Intel и STMicroelectronics демонстрируют 128-мегабитный чип PRAM.
• Декабрь 2006 г . : IBM Research Labs демонстрирует прототип 3 на 20 нанометров ^[33]
• Январь 2007 : Qimonda лицензирует технологию PRAM у Ovonyx.
• Апрель 2007 : технический директор Intel Джастин Раттнер собирается провести первую публичную демонстрацию технологии PRAM (ОЗУ с фазовым переходом) ^[34].
• Октябрь 2007 : Hynix начинает использовать PRAM, лицензируя технологию Ovonyx.
• Февраль 2008 : Intel и STMicroelectronics анонсируют MLC PRAM с четырьмя состояниями ^[13] и начинают отгрузку образцов клиентам. ^[23]
• Декабрь 2008 : Numonyx объявляет о выпуске в серийное производство 128-мегабитного устройства PRAM для избранных клиентов.
• Июнь 2009 : Оперативная память Samsung с фазовой заменой поступит в массовое производство, начиная с июня ^[35].
• Сентябрь 2009 г . : Samsung объявляет о начале массового производства устройства PRAM 512 Мбит ^[36]
• Октябрь 2009 : Intel и Numonyx объявляют, что нашли способ объединить массивы памяти с фазовым переходом на одном кристалле ^[37]
• Декабрь 2009 г . : Numonyx анонсирует продукт 1 Гб 45 нм ^[38]
• Апрель 2010 : Numonyx выпускает серию Omneo PRAM (P8P и P5Q), обе с длиной волны 90 нм. ^[39]
• Апрель 2010 : Samsung выпускает 512 Мбит PRAM с 65-нм техпроцессом в многочиповом корпусе. ^[40]
• Февраль 2011 : Samsung представила PRAM 58 нм 1,8 В 1 Гб. ^[41]
• Февраль 2012 : Samsung представила PRAM 20 нм 1,8 В 8 Гб ^[42]
• Июль 2012 : Micron объявляет о выпуске памяти Phase-Change для мобильных устройств - первого решения PRAM в массовом производстве ^[43]
• Январь 2014 : Micron изымает с рынка все компоненты PCM. ^[44]
• Май 2014 : IBM демонстрирует объединение PCM, обычной NAND и DRAM на одном контроллере ^[45]
• Август 2014 : Western Digital демонстрирует прототип хранилища PCM с 3 миллионами операций ввода-вывода и задержкой 1,5 микросекунды ^[46]
• Июль 2015 : Intel и Micron анонсировали память 3D Xpoint, в которой сплав с фазовым переходом используется в качестве запоминающей части ячейки памяти.

См. Также [ править ]

• Сегнетоэлектрическое ОЗУ (FRAM)
• Магниторезистивная память с произвольным доступом (MRAM)
• Основная память (RMM)

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Микрон
• Овоникс, Инк.
• Energy Conversion Devices, Inc.
• Hitachi / Renesas PRAM с низким энергопотреблением
• Хранилище датчиков Hewlett-Packard
• Европейский симпозиум \ Phase Change and Ovonics
• Пресс-релиз BAE C-RAM Radiation-Hardened NVM
• Паспорт радиационно-стойкого NVM BAE C-RAM
• Введение в PCM от Numonyx (видео)