Memoria de schimbare de fază

Memoria cu schimbare de fază este o memorie  de computer bazată pe o tranziție de fază, cunoscută și sub numele de PCM , PRAM , PCRAM , Ovonic Unified Memory , Chalcogenide RAM , C-RAM  este un tip de memorie nevolatilă (NVRAM) bazată pe proprietățile calcogenurilor , care, atunci când temperatura se schimbă, poate „comuta” între două stări: cristalină și amorfă . În evoluțiile recente[ ce? ] au putut adăuga încă două stări suplimentare, care au dublat capacitatea de informare a cipurilor , toate celelalte lucruri fiind egale.

Contează[ de cine? ] una dintre principalele tehnologii care concurează cu memoria flash , oferind soluții la o serie de probleme insurmontabile ale acesteia din urmă.

Fundal

Proprietățile calcogenurei pentru potențiale aplicații în memorie au fost explorate pentru prima dată de Stanford Ovshinsky de la Energy Conversion Devices în anii 1960. În 1970, în numărul din septembrie al revistei Electronics , Gordon Moore  , unul dintre fondatorii Intel  , a publicat un articol care descrie tehnologia. Cu toate acestea, calitatea materialului și consumul de energie nu a permis aducerea tehnologiei în uz comercial. Mult mai târziu, a existat un interes reînnoit față de această tehnologie, precum și cercetări asupra ei, în timp ce tehnologiile de memorie flash și DRAM , conform calculelor, ar fi trebuit să se confrunte cu probleme cu scalarea cu reducerea dimensiunilor în litografia cu cip .

Stările cristaline și amorfe ale calcogenurii sunt fundamental diferite în ceea ce privește rezistența electrică , iar aceasta este baza stocării informațiilor.

Starea amorfă, care are o rezistență mare, este folosită pentru a reprezenta, de exemplu, un 0 binar , iar starea cristalină, care are o rezistivitate scăzută, codifică un 1 logic.

Calcogenura este același material folosit în mediile optice reinscriptibile (cum ar fi CD-RW și DVD-RW ). În astfel de medii, proprietățile optice ale materialului sunt mai controlabile decât rezistența sa electrică, deoarece indicele de refracție al calcogenurii variază, de asemenea, cu starea materialului.

Deși PRAM nu a obținut încă succes comercial în electronicele de larg consum, aproape toate prototipurile folosesc calcogenuri în combinație cu germaniu , antimoniu și teluriu ( GeSbTe ), prescurtat ca GST. Compoziția stoichiometrică sau rapoartele elementelor Ge:Sb:Te sunt 2:2:5. Când GST este încălzit la o temperatură ridicată (peste 600 °C), componenta sa de calcogenură își pierde structura cristalină. Când este răcit, se transformă într-o formă asemănătoare sticlei amorfe, iar rezistența sa electrică crește. Când calcogenura este încălzită la o temperatură peste punctul său de cristalizare , dar sub punctul său de topire , se schimbă într-o stare cristalină cu rezistență substanțial mai mică. Timpul pentru trecerea completă la această fază depinde de temperatură. Părțile mai reci ale calcogenurii durează mai mult să se cristalizeze, iar părțile supraîncălzite se pot topi. În general, timpul de cristalizare utilizat este de ordinul a 100 ns [1] . Aceasta este puțin mai lungă decât memoria volatilă convențională, cum ar fi cipurile DRAM moderne , al căror timp de comutare este de ordinul a două nanosecunde. Cu toate acestea, în ianuarie 2006, Samsung Electronics Corporation a brevetat o tehnologie care oferă timpi de comutare de cinci nanosecunde în PRAM.

Cercetări mai recente ale Intel și ST Microelectronics au permis controlarea mai atentă a stării materialului, permițându-i să se transforme într-una din cele patru stări: două sunt amorfe și cristaline și două stări noi (parțial cristaline). Fiecare dintre aceste stări are propriile sale proprietăți electrice care pot fi citite, permițând unei celule să stocheze doi biți, dublând densitatea memoriei [2] .

PRAM și Flash

Cea mai interesantă problemă este timpul de comutare luat de PRAM și alți înlocuitori de memorie flash. Sensibilitatea la temperatură a PRAM este poate cea mai proeminentă problemă care poate necesita modificări în procesul de producție pentru furnizorii interesați de tehnologie.

Memoria flash funcționează prin schimbarea nivelului de încărcare ( electroni ) stocat intern în spatele porții unui MOSFET . Poarta este construită cu o „stivă” specială concepută pentru a menține sarcina (fie pe poarta plutitoare, fie în „capcanele” izolatoare ). Prezența sarcinii în interiorul porții modifică tensiunea de prag a tranzistorului , făcând-o mai mare sau mai mică, adică 1 sau 0, de exemplu. Schimbarea stării biților necesită resetarea încărcăturii stocate, care, la rândul său, necesită o tensiune relativ ridicată pentru a „trage” electronii din poarta plutitoare. Un astfel de salt de tensiune este asigurat de pomparea de încărcare , care necesită ceva timp pentru a acumula energie. Timpul total de scriere pentru dispozitivele flash obișnuite este de ordinul a 1 ms (per bloc de date), care este de aproximativ 100.000 de ori timpul de citire tipic de 10 ns pentru SRAM, de exemplu (pe octet).

PRAM poate oferi performanțe semnificativ mai mari în zonele care necesită scrieri rapide, datorită faptului că elementele de memorie pot fi comutate mai rapid și, de asemenea, datorită faptului că valoarea biților individuali poate fi schimbată la 1 sau 0 fără a șterge mai întâi întregul bloc de celule. Performanța ridicată a PRAM, care este de o mie de ori mai rapidă decât hard disk-urile convenționale, o face extrem de interesantă în ceea ce privește memoria nevolatilă, a cărei performanță este în prezent limitată de timpul de acces (memorie).

În plus, fiecare aplicare a tensiunii cauzează degradarea ireversibilă a celulelor de memorie flash. Pe măsură ce dimensiunea celulei crește, deteriorarea de programare crește datorită tensiunii cerute de program, care nu se modifică în funcție de dimensionalitatea procesului de litografie. Majoritatea dispozitivelor flash au o resursă de aproximativ 10.000-100.000 de cicluri de scriere per sector, iar majoritatea controlerelor flash efectuează echilibrarea sarcinii pentru a distribui operațiunile de scriere în mai multe sectoare fizice, astfel încât sarcina fiecărui sector individual să fie mică.

Dispozitivele PRAM se degradează și ele cu utilizarea, dar din motive diferite decât memoria flash, iar degradarea este mult mai lentă. Un dispozitiv PRAM poate rezista la aproximativ 100 de milioane de cicluri de scriere [3] . Durata de viață a unui cip PRAM este limitată de mecanisme precum degradarea datorată expansiunii GST-ului atunci când este încălzit în timpul programării, deplasarea metalelor (și a altor materiale) și de factori încă neexplorați.

Părțile de memorie flash pot fi programate înainte de a fi lipite pe placă sau pot fi chiar achiziționate preprogramate. Conținutul de PRAM, în schimb, se pierde la temperatura ridicată necesară atunci când dispozitivul este lipit pe placă ( lipire prin reflow sau lipire prin val ). Acest lucru degradează dispozitivul în ceea ce privește ecologia producției . Producătorul care utilizează piesele PRAM trebuie să ofere un mecanism pentru programarea cipurilor PRAM deja „în sistem”, adică după ce sunt lipite pe placă.

Porțile speciale utilizate în memoria flash permit încărcării (electronilor) să „scurgă” în timp, provocând coruperea și pierderea datelor. Rezistența în elementele de memorie PCM este mai stabilă; la o temperatură normală de funcționare de 85°C, stocarea datelor este de așteptat să dureze mai mult de 300 de ani [4] .

Reglând cu atenție cantitatea de încărcare stocată pe poartă, dispozitivele flash pot stoca mai mulți biți (de obicei doi) în fiecare celulă fizică. Acest lucru dublează efectiv densitatea memoriei, reducând costul acesteia. Dispozitivele PRAM stocau inițial doar un bit per celulă, dar progresele recente ale Intel au ocolit această problemă.

Deoarece dispozitivele flash folosesc retenția de electroni pentru a stoca informații, sunt susceptibile la coruperea datelor din cauza radiațiilor, ceea ce le face nepotrivite pentru aplicații spațiale și militare. PRAM prezintă o rezistență mai mare la radiații.

Comutatoarele de celule PRAM pot folosi o gamă largă de dispozitive: diode , tranzistoare bipolare sau tranzistoare N-MOS . Utilizarea unei diode sau a unui tranzistor bipolar asigură cea mai mare cantitate de curent pentru o anumită dimensiune a celulei. Cu toate acestea, o problemă cu utilizarea unei diode apare din curenții paraziți din celulele învecinate, precum și din cerințele mai mari de tensiune. Rezistența calcogenurilor trebuie crescută, ceea ce presupune utilizarea unei diode, deoarece tensiunea de funcționare trebuie să fie mult peste 1 V pentru a asigura un flux de curent suficient de la diodă. Poate cel mai important beneficiu al utilizării unei serii de comutatoare pe bază de diode (în special pentru matrice mari) este tendința absolută a curentului de a curge înapoi din liniile de biți suplimentare. În rețelele de tranzistori, numai liniile de biți dorite permit scurgerea încărcării. Diferențele de scurgere a sarcinii fluctuează cu mai multe ordine de mărime. O altă problemă cu scalarea sub 40 nm este efectul anumitor impurități, deoarece cuplarea de tip p-n reduce semnificativ aria de efect.

2000 și după

În august 2004, Nanochip a licențiat tehnologia PRAM pentru utilizarea în dispozitive de stocare bazate pe electrozi MEMS (sisteme microelectromecanice). Aceste dispozitive nu sunt în stare solidă. În schimb, o placă destul de mică acoperită cu calcogenură este plasată între mulți (mii sau chiar milioane) de electrozi care pot citi sau scrie calcogenură. Tehnologia micro-mover de la Hewlett-Packard permite poziționarea plachetelor la 3 nanometri, făcând posibile densități mai mari de 1 terabit (128 GB) pe inch pătrat dacă tehnologia este îmbunătățită. Ideea principală este reducerea numărului de conexiuni lipite pe cip; în loc de conexiuni pentru fiecare celulă, celulele sunt plasate mai aproape unul de altul și citite de sarcina care trece prin electrozii MEMS, care acționează ca conexiuni. O astfel de soluție poartă o idee similară cu tehnologia IBM Millipede .

În septembrie 2006, Samsung a anunțat un prototip de dispozitiv de 512 megabiți (64 Mb) bazat pe o diodă de comutare [5] . Un astfel de anunț a fost destul de neașteptat și a atras o atenție sporită datorită densității sale mari transparente. Dimensiunea celulei prototipului a fost de numai 46,7 nm, ceea ce era mai mic decât dispozitivele flash comerciale disponibile la acea vreme. Deși existau dispozitive flash cu capacitate mai mare disponibile (64 Gbps - 8 Gb, abia ajuns pe piață), celelalte tehnologii care concurează pentru a înlocui flash-ul aveau densități mai mici (adică, celule de dimensiuni mai mari). De exemplu, în producția de memorie MRAM și FRAM , a fost posibil să se obțină 4 Mbps. Densitatea mare a prototipurilor de memorie PRAM de la Samsung a oferit o viață garantată ca concurent al memoriei flash, nefiind limitată la un rol de nișă ca și alte tehnologii. PRAM arată extrem de atractiv ca înlocuitor potențial pentru flash-ul NOR , care de obicei a rămas în urmă cu capacitatea flash- ului NAND (cele mai recente dezvoltări în capacitatea NAND au atins pragul de 512 Mbit în urmă cu ceva timp). NOR flash oferă o densitate similară cu prototipurile PRAM de la Samsung și oferă deja adresabilitate pe biți (spre deosebire de NAND, care accesează memoria prin „bănci” de mulți octeți).

Anunțul de la Samsung a fost urmat de un anunț comun al Intel și STMicroelectronics , care și-au demonstrat propriile dispozitive PCM la Intel Developer Forum în octombrie 2006 [6] . Ei au arătat un eșantion de 128 Mbit care a început recent producția la unitatea de cercetare și dezvoltare a STMicroelectronics din Agrate, Italia. Intel a susținut că dispozitivele erau doar demonstratoare, dar se așteptau ca producția de prototipuri să înceapă în câteva luni și producția comercială largă în câțiva ani. Intel, judecând după declarațiile lor, își viza produsele PCM în aceeași zonă de piață ca Samsung.

PCM este o tehnologie foarte promițătoare din perspectivă militară și aerospațială, unde radiațiile fac inutile memoria standard nevolatilă, cum ar fi memoria flash. Dispozitivele PCM au fost introduse de corporația militară BAE Systems , denumită C-RAM, și s-a susținut că au o rezistență excelentă la radiații ( întărire prin iradiere ) și imunitate la efectul latchup . În plus, BAE susține aproximativ 108 cicluri de scriere, ceea ce îl face un candidat pentru a înlocui cipurile PROM și EEPROM în sistemele spațiale.

În februarie 2008, inginerii Intel, împreună cu STMicroelectronics, au demonstrat primul prototip al unei matrice PCM pe mai multe niveluri. Prototipul ar putea stoca doi biți logici pe celulă fizică, adică 256 Mb de memorie efectivă au fost stocați în 128 Mb de memorie fizică. Aceasta înseamnă că în locul celor două stări obișnuite - complet amorfe sau complet cristaline - se adaugă două stări intermediare suplimentare, reprezentând grade diferite de cristalizare parțială, permițând stocarea de două ori a matricelor de biți în aceeași zonă fizică de pe cip [2] .

Tot în februarie 2008, Intel și STMicroelectronics au început să livreze prototipuri ale primului lor produs PCM disponibil clienților. Produsul, realizat folosind procedeul de 90 nm, având 128 Mbps (16 Mb), a fost numit Alverstone ( Alverstone ) [7] .

În a doua jumătate a anilor 2010, unitățile Intel Optane PRAM ( 3D XPoint ) [8] [9] [10] sunt disponibile comercial . În primăvara lui 2021, partenerul strategic al Intel în acest domeniu, Micron , a anunțat că și-a pierdut complet încrederea în posibilitatea de succes comercial pentru 3D XPoint și a vândut compania care l-a produs; cumpărătorul fabricii, Texas Instruments, o transformă complet în alte produse [11]

Probleme

Cea mai mare problemă a memoriei cu schimbare de fază este cerința pentru densitatea de încărcare programabilă (>10 7 A/cm², comparativ cu 10 5 −10 6 A/cm² pentru tranzistoarele sau diodele convenționale ) în faza activă. Datorită acestui fapt, aria de influență devine mult mai mică decât cea a tranzistorului de control. Datorită acestei diferențe în structura memoriei cu schimbare de fază, trebuie să împachetăm un material de schimbare de fază mai fierbinte și mai aleatoriu în dimensiuni litografice. Din această cauză, costul procesului scade în preț în comparație cu memoria flash. Astfel, costul 3D XPoint depășește costul obișnuitului TLC 3D NAND cu aproximativ un ordin de mărime și, conform estimărilor disponibile, producția a 1 GB de astfel de memorie costă cel puțin 0,5 USD, ceea ce nu permite Intel să intre. piața de masă cu drive-uri bazate pe o astfel de memorie (cu toate acestea, compania a găsit o cale de ieșire în produsele hibride de consum care sunt construite simultan pe 3D XPoint și QLC 3D NAND) [11] .

Contactul dintre regiunea fierbinte a tranziției de fază și dielectricul vecin este o altă întrebare fundamentală nerezolvată. Dielectricul poate permite scurgerea sarcinii pe măsură ce temperatura crește sau se poate desprinde de materialul cu schimbare de fază pe măsură ce se extinde în diferite etape.

Memoria cu schimbare de fază este foarte susceptibilă la schimbarea arbitrară de fază. Acest lucru se datorează în principal faptului că tranziția de fază este un proces controlat de temperatură în comparație cu unul electronic. Condițiile termice care permit o cristalizare rapidă nu ar trebui să fie apropiate de condițiile de echilibru, cum ar fi temperatura camerei. În caz contrar, păstrarea datelor nu va dura mult. Cu o energie adecvată de activare a cristalizării, este posibil să se realizeze o cristalizare rapidă prin stabilirea unor condiții adecvate, în timp ce în condiții normale va avea loc o cristalizare foarte lentă.

Probabil cea mai mare problemă cu memoria de schimbare de fază este modificarea treptată a rezistenței și a tensiunii de prag în timp [12] . Rezistența stării amorfe crește lent conform legii puterii (~t 0.1 ). Acest lucru limitează oarecum capacitatea de a utiliza celule de memorie cu mai multe niveluri (în continuare, starea intermediară subiacentă va fi confundată cu starea intermediară superioară) și poate periclita funcționarea standard în două faze în cazul în care tensiunea de prag depășește valoarea furnizată.

Note

  1. ↑ H. Horii et al., 2003 Symposium on VLSI Technology, 177-178 (2003).
  2. ↑ 1 2 A Memory Breakthrough Arhivat 26 mai 2009 la Wayback Machine , Kate Greene, Technology Review, 04-feb-2008
  3. ↑ Intel va eșantiona memoria de schimbare de fază în acest an (link nu este disponibil) . Data accesului: 17 decembrie 2009. Arhivat din original la 23 martie 2007. 
  4. ↑ Pirovano, A. Redaelli, A. Pellizzer, F. Ottogalli, F. Tosi, M. Ielmini, D. Lacaita, AL Bez, R. Reliability study of phase-change nonvolatile memories. Tranzacții IEEE privind fiabilitatea dispozitivelor și materialelor. Sept. 2004, vol 4, numărul 3, pp. 422-427. ISSN 1530-4388.
  5. ↑ SAMSUNG prezintă următoarea generație de memorie nevolatilă - PRAM . Consultat la 17 decembrie 2009. Arhivat din original la 15 noiembrie 2011.
  6. ↑ Intel Previews Potential Replacement for Flash
  7. ↑ Intel, STMicroelectronics livrează prototipuri de memorie pentru prima fază de schimbare a industriei (link nu este disponibil) . Numonyx (6 februarie 2008). Consultat la 15 august 2008. Arhivat din original la 6 septembrie 2008. 
  8. ↑ Intel Optane SSD DC P4800X 750GB Hands-On Review Arhivat la 1 decembrie 2017 la Wayback Machine // anandtech.com
  9. ↑ Intel 3D XPoint Memory Die eliminat din Intel Optane™ PCM (Phase Change Memory) Arhivat la 1 decembrie 2017 la Wayback Machine // techinsights.com
  10. ↑ Elemente de selecție pentru memoria Intel Optane XPoint Arhivată la 1 decembrie 2017 la Wayback Machine // techinsights.com
  11. ↑ 1 2 Rezultate 2021: Unități SSD - Ce este cu 3D XPoint Arhivat 16 ianuarie 2022 la Wayback Machine // 3DNews , 14 ianuarie 2022
  12. ↑ D. Ielmini et al., IEEE Trans. electrondev. vol. 54, 308-315 (2007).

Link -uri

Resurse și site-uri Știri și comunicate de presă