Память с изменением фазы (также известная как PCM , PCME , PRAM , PCRAM , OUM ( унифицированная память ovonic ) и C-RAM или CRAM ( халькогенидная RAM )) — это тип энергонезависимой памяти с произвольным доступом . PRAM используют уникальное поведение халькогенидного стекла . В PCM тепло, выделяемое при прохождении электрического тока через нагревательный элемент, обычно изготовленный из нитрида титана, используется либо для быстрого нагрева и охлаждения стекла, делая его аморфным , либо для удержания его в диапазоне температур кристаллизации в течение некоторого времени, тем самым переключая его в кристаллическое состояние. [1] PCM также имеет возможность достигать ряда различных промежуточных состояний, тем самым имея возможность удерживать несколько бит в одной ячейке, [2] но трудности в программировании ячеек таким образом не позволили реализовать эти возможности в других технологиях (в первую очередь во флэш-памяти ) с той же возможностью.
Недавние исследования PCM были направлены на попытку найти жизнеспособные альтернативы материалу с фазовым переходом Ge 2 Sb 2 Te 5 (GST), с переменным успехом. Другие исследования были сосредоточены на разработке сверхрешетки Ge Te – Sb 2 Te 3 для достижения нетермических фазовых переходов путем изменения координационного состояния атомов германия с помощью лазерного импульса. Эта новая интерфейсная память с фазовым переходом (IPCM) имела много успехов и продолжает оставаться местом многих активных исследований. [3]
Леон Чуа утверждал, что все двухтерминальные устройства энергонезависимой памяти , включая PCM, следует считать мемристорами . [4] Стэн Уильямс из HP Labs также утверждал, что PCM следует считать мемристором. [5] Однако эта терминология была оспорена, и потенциальная применимость теории мемристора к любому физически реализуемому устройству остается под вопросом. [6] [7]
В 1960-х годах Стэнфорд Р. Овшинский из Energy Conversion Devices впервые исследовал свойства халькогенидных стекол как потенциальную технологию памяти. В 1969 году Чарльз Си опубликовал диссертацию в Университете штата Айова , в которой описал и продемонстрировал осуществимость устройства памяти с изменением фазы путем интеграции халькогенидной пленки с диодной матрицей. [8] [9] Кинематографическое исследование 1970 года установило, что механизм памяти с изменением фазы в халькогенидном стекле включает в себя рост кристаллических нитей, вызванный электрическим полем . [10] [11] В выпуске Electronics за сентябрь 1970 года Гордон Мур , соучредитель Intel , опубликовал статью о технологии. [12] Однако проблемы с качеством материалов и энергопотреблением помешали коммерциализации технологии. Совсем недавно интерес и исследования возобновились, поскольку ожидается , что технологии флэш-памяти и памяти DRAM столкнутся с трудностями масштабирования по мере уменьшения литографии чипов . [13]
Кристаллическое и аморфное состояния халькогенидного стекла имеют существенно разные значения электрического сопротивления . Аморфное состояние с высоким сопротивлением представляет двоичный 0, в то время как кристаллическое состояние с низким сопротивлением представляет 1. [ необходима цитата ] Халькогенид — это тот же материал, который используется в перезаписываемых оптических носителях (таких как CD-RW и DVD-RW ). В этих случаях манипулируют оптическими свойствами материала, а не его электрическим сопротивлением, поскольку показатель преломления халькогенида также изменяется в зависимости от состояния материала.
Хотя PRAM еще не достиг стадии коммерциализации для потребительских электронных устройств, почти все прототипные устройства используют халькогенидный сплав германия ( Ge), сурьмы (Sb) и теллура (Te), называемый GeSbTe (GST). Стехиометрия , или соотношение элементов Ge:Sb:Te, составляет 2:2:5 в GST. Когда GST нагревается до высокой температуры (более 600 °C), его халькогенидная кристалличность теряется. После охлаждения он застывает в аморфном стеклообразном состоянии [14] и его электрическое сопротивление высокое. При нагревании халькогенида до температуры выше его точки кристаллизации , но ниже точки плавления , он перейдет в кристаллическое состояние с гораздо более низким сопротивлением. Время завершения этого фазового перехода зависит от температуры. Более холодные части халькогенида кристаллизуются дольше, а перегретые части могут быть переплавлены. Обычно используется масштаб времени кристаллизации порядка 100 нс . [15] Это больше, чем у обычных энергозависимых запоминающих устройств, таких как современная DRAM , у которых время переключения составляет порядка двух наносекунд. Однако патентная заявка Samsung Electronics от января 2006 года указывает на то, что PRAM может достигать времени переключения до пяти наносекунд.
Прогресс 2008 года, впервые разработанный Intel и ST Microelectronics , позволил 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 различные электрические свойства, которые можно измерить во время считывания, что позволяет одной ячейке представлять два бита , удваивая плотность памяти . [16]
Устройства памяти с изменением фазы на основе германия , сурьмы и теллура представляют собой производственные проблемы, поскольку травление и полировка материала халькогенами могут изменить состав материала. Материалы на основе алюминия и сурьмы более термически стабильны, чем GeSbTe . Al 50 Sb 50 имеет три различных уровня сопротивления, что дает возможность хранить три бита данных в двух ячейках вместо двух (для пары ячеек возможны девять состояний, использование восьми из этих состояний дает log 2 8 = 3 бита). [17] [18]
Время переключения PRAM и присущая ей масштабируемость [19] делают ее более привлекательной, чем флэш-память . Чувствительность PRAM к температуре, возможно, является ее наиболее заметным недостатком, который может потребовать внесения изменений в производственный процесс производителей, внедряющих эту технологию.
Флэш-память работает, модулируя заряд ( электроны ), хранящийся в затворе МОП-транзистора . Затвор сконструирован со специальным «стеком», предназначенным для улавливания зарядов (либо на плавающем затворе, либо в изоляторных «ловушках» ). Наличие заряда в затворе смещает пороговое напряжение транзистора вверх или вниз, что соответствует изменению состояния бита ячейки с 1 на 0 или с 0 на 1. Изменение состояния бита требует удаления накопленного заряда, что требует относительно большого напряжения для «высасывания» электронов из плавающего затвора. Этот всплеск напряжения обеспечивается зарядовым насосом , которому требуется некоторое время для накопления 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 в 10 нс для SRAM , например (для байта ). [ необходима цитата ]
PRAM может предложить гораздо более высокую производительность в приложениях, где важна быстрая запись, как потому, что элемент памяти может переключаться быстрее, так и потому, что отдельные биты могут быть изменены на 1 или 0 без необходимости предварительного стирания целого блока ячеек. Высокая производительность PRAM, в тысячи раз превышающая производительность обычных жестких дисков , делает ее особенно интересной в ролях энергонезависимой памяти , производительность которой в настоящее время ограничена временем доступа к памяти.
Кроме того, в случае флэш-памяти каждый всплеск напряжения на ячейке вызывает деградацию. По мере уменьшения размера ячеек ущерб от программирования становится все хуже, поскольку напряжение, необходимое для программирования устройства, не масштабируется с литографией. Большинство флэш-устройств в настоящее время рассчитаны только на 5000 записей на сектор, и многие контроллеры флэш-памяти выполняют выравнивание износа , чтобы распределить записи по многим физическим секторам.
Устройства PRAM также деградируют при использовании, по другим причинам, чем флэш-память, но деградируют гораздо медленнее. Устройство PRAM может выдержать около 100 миллионов циклов записи. [20] 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 пока неизвестны.
Флэш-детали можно программировать до припаивания к плате или даже приобретать уже запрограммированными. Однако содержимое PRAM теряется из-за высоких температур, необходимых для припаивания устройства к плате (см. пайку оплавлением или пайку волной припоя ). Это усугубляется требованием к производству без свинца , требующим более высоких температур пайки. Производитель, использующий детали PRAM, должен предоставить механизм для программирования PRAM «внутри системы» после того, как она была припаяна на место.
Специальные затворы, используемые во флэш-памяти, со временем «пропускают» заряд (электроны), что приводит к повреждению и потере данных. Сопротивление элемента памяти в PRAM более стабильно; при нормальной рабочей температуре 85 °C, как предполагается, данные сохраняются в течение 300 лет. [21]
Тщательно модулируя количество заряда, хранящегося на затворе, флэш-устройства могут хранить несколько (обычно два) битов в каждой физической ячейке. По сути, это удваивает плотность памяти , снижая стоимость. Устройства PRAM изначально хранили только один бит в каждой ячейке, но последние достижения Intel устранили эту проблему. [ необходима цитата ]
Поскольку флэш-устройства захватывают электроны для хранения информации, они подвержены повреждению данных из-за радиации , 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 , биполярные транзисторы и полевые МОП-транзисторы . Использование диода или биполярного транзистора обеспечивает наибольшее количество тока для заданного размера ячейки. Однако проблема с использованием диода связана с паразитными токами в соседние ячейки, а также с более высокими требованиями к напряжению, что приводит к более высокому энергопотреблению. Сопротивление халькогенида обязательно больше, чем у диода, то есть рабочее напряжение должно превышать 1 В с большим запасом, чтобы гарантировать адекватный прямой ток смещения от диода. Возможно, наиболее серьезным последствием использования массива с диодным выбором, в частности для больших массивов, является общий ток утечки обратного смещения от невыбранных битовых линий. В массивах с транзисторным выбором только выбранные битовые линии вносят обратный ток утечки смещения. Разница в токе утечки составляет несколько порядков. Еще одной проблемой при масштабировании ниже 40 нм является влияние дискретных легирующих примесей по мере уменьшения ширины pn-перехода . Селекторы на основе тонкой пленки позволяют достичь более высокой плотности, используя < 4 F 2 площади ячейки путем укладки слоев памяти горизонтально или вертикально. Часто возможности изоляции уступают использованию транзисторов, если отношение включения/выключения для селектора недостаточно, что ограничивает возможность работы очень больших массивов в этой архитектуре. Пороговые переключатели на основе халькогенида были продемонстрированы как жизнеспособный селектор для массивов PCM высокой плотности [22]
В августе 2004 года Nanochip лицензировала технологию PRAM для использования в устройствах хранения зондов MEMS (микроэлектромеханические системы). Эти устройства не являются твердотельными . Вместо этого очень маленькая пластина, покрытая халькогенидом, протаскивается под тысячами или даже миллионами электрических зондов, которые могут считывать и записывать халькогенид. Технология микроперемещателя Hewlett-Packard может точно позиционировать пластину с точностью до 3 нм , поэтому плотности более 1 Тбит (125 ГБ ) на квадратный дюйм станут возможными, если технологию удастся усовершенствовать. Основная идея заключается в уменьшении количества проводов, необходимых на кристалле; вместо того, чтобы соединять каждую ячейку, ячейки размещаются ближе друг к другу и считываются током, проходящим через зонды MEMS, действуя как провода. Этот подход напоминает технологию Millipede от IBM .
В сентябре 2006 года Samsung анонсировала прототип устройства на 512 Мб (64 Мб ) с использованием диодных переключателей. [23] Анонс был чем-то вроде сюрприза, и он был особенно примечателен своей довольно высокой плотностью памяти . Прототип имел размер ячейки всего 46,7 нм, что меньше, чем у коммерческих флэш- устройств, доступных в то время. Хотя флэш-устройства большей емкости были доступны (64 Гб , или 8 ГБ , только что вышли на рынок), другие технологии, конкурирующие за замену флэш-памяти, в целом предлагали более низкие плотности (большие размеры ячеек). Например, единственные серийные устройства MRAM и FeRAM имеют емкость всего 4 Мб. Высокая плотность прототипа устройства PRAM от Samsung предполагала, что оно может быть жизнеспособным конкурентом флэш-памяти, и не ограничиваться нишевыми ролями, как другие устройства. PRAM оказалась особенно привлекательной в качестве потенциальной замены флэш-памяти NOR , где емкости устройств обычно отстают от флэш-устройств NAND . Современные емкости на NAND превысили 512 Мб некоторое время назад. Флэш-память NOR обеспечивает плотность, аналогичную прототипу PRAM от Samsung, и уже обеспечивает побитовую адресацию (в отличие от NAND, где доступ к памяти осуществляется банками по много байтов за раз).
За заявлением Samsung последовало заявление Intel и STMicroelectronics , которые продемонстрировали свои собственные устройства PRAM на Форуме разработчиков Intel 2006 в октябре. [24] Они показали деталь на 128 Мб, производство которой началось в исследовательской лаборатории STMicroelectronics в Аграте, Италия. Intel заявила, что устройства были исключительно проверкой концепции .
PRAM также является перспективной технологией в военной и аэрокосмической промышленности, где радиационные эффекты делают использование стандартных энергонезависимых запоминающих устройств, таких как флэш-память, непрактичным. Устройства PRAM были представлены компанией BAE Systems , называемые C-RAM, заявляя о превосходной устойчивости к радиации ( rad-hard ) и устойчивости к защелкиванию . Кроме того, BAE заявляет о выносливости цикла записи 10 8 , что позволит ей стать претендентом на замену PROM и EEPROM в космических системах.
В феврале 2008 года Intel и STMicroelectronics представили первый прототип многоуровневой ( MLC ) матрицы PRAM. Прототип хранил два логических бита в каждой физической ячейке, по сути 256 Мб памяти, хранящейся в физической матрице объемом 128 Мб. Это означает, что вместо обычных двух состояний — полностью аморфного и полностью кристаллического — два дополнительных отдельных промежуточных состояния представляют собой различные степени частичной кристаллизации, что позволяет хранить в два раза больше битов в одной и той же физической области. [16] В июне 2011 года [25] IBM объявила, что создала стабильную, надежную многобитовую память с изменением фаз с высокой производительностью и стабильностью. SK Hynix заключила с IBM соглашение о совместной разработке и лицензионное соглашение на технологию для разработки многоуровневой технологии PRAM. [26]
Также в феврале 2008 года Intel и STMicroelectronics отправили клиентам прототипы своих первых продуктов PRAM. Продукт 90 нм, 128 Мб (16 МБ) назывался Alverstone. [27]
В июне 2009 года Samsung и Numonyx BV объявили о совместных усилиях по разработке аппаратных продуктов PRAM, адаптированных для рынка. [28]
В апреле 2010 года [29] Numonyx анонсировала линейку 128-мегабитной NOR-совместимой памяти с фазовым переходом Omneo. Samsung объявила о поставках 512 Мб памяти с фазовым переходом (PRAM) в многокристальном корпусе (MCP) для использования в мобильных телефонах к осени 2010 года.
В декабре 2018 года компания STMicroelectronics представила данные о конструкции и производительности массива ePCM объемом 16 МБ для полностью обедненного 28-нм кремниевого изолятора автомобильного блока управления. [30]
В последнее время наблюдается значительный интерес к применению PCM для вычислений в памяти. [31] Основная идея заключается в выполнении вычислительных задач, таких как операции умножения матрицы на вектор, в самом массиве памяти, используя возможности аналогового хранения PCM и законы цепи Кирхгофа . Вычисления в памяти на основе PCM могут быть интересны для таких приложений, как вывод глубокого обучения , которые не требуют очень высокой точности вычислений. [32] В 2021 году IBM опубликовала полноценное вычислительное ядро в памяти на основе многоуровневого PCM, интегрированного в узел технологии CMOS 14 нм. [33]
Наибольшей проблемой для памяти с изменением фазы было требование высокой плотности тока программирования (>10 7 А /см 2 , по сравнению с 10 5 ...10 6 А/см 2 для типичного транзистора или диода ). [ необходима цитата ] Контакт между горячей областью изменения фазы и соседним диэлектриком является еще одной фундаментальной проблемой. Диэлектрик может начать пропускать ток при более высокой температуре или может потерять адгезию при расширении с другой скоростью, чем материал с изменением фазы.
Фазовая память восприимчива к фундаментальному компромиссу непреднамеренного и преднамеренного изменения фазы. Это обусловлено в первую очередь тем фактом, что изменение фазы является термически обусловленным процессом, а не электронным процессом. Температурные условия, которые допускают быструю кристаллизацию, не должны быть слишком похожи на условия ожидания, например, комнатную температуру, в противном случае сохранение данных не может быть поддержано. При правильной энергии активации для кристаллизации возможно иметь быструю кристаллизацию в условиях программирования, имея очень медленную кристаллизацию в нормальных условиях.
Вероятно, самой большой проблемой для памяти с изменением фазы является ее долговременное сопротивление и дрейф порогового напряжения . [34] Сопротивление аморфного состояния медленно увеличивается в соответствии со степенным законом (~t 0,1 ). Это серьезно ограничивает возможность многоуровневой работы, поскольку более низкое промежуточное состояние будет спутано с более высоким промежуточным состоянием в более позднее время, а также может поставить под угрозу стандартную двухступенчатую работу, если пороговое напряжение превысит расчетное значение.
В апреле 2010 года Numonyx выпустила свою линейку Omneo с параллельным и последовательным интерфейсом 128 Мб NOR flash- чипов для замены PRAM. Хотя NOR flash-чипы, которые они намеревались заменить, работали в диапазоне −40-85 °C, чипы PRAM работали в диапазоне 0-70 °C, что указывает на меньшее рабочее окно по сравнению с NOR flash. Это, вероятно, связано с использованием высокочувствительных к температуре p–n-переходов для обеспечения высоких токов, необходимых для программирования.
{{cite web}}
: Цитата использует общее название ( помощь )