Fázisváltási memória

A fázisváltó memória egy fázisátalakuláson alapuló számítógépes memória  , más néven PCM , PRAM , PCRAM , Ovonic Unified Memory , Chalcogenide RAM , A C-RAM  egyfajta nem felejtő memória (NVRAM), amely a kalkogenidek tulajdonságain alapul , amely a hőmérséklet változásával két állapot között „válthat”: kristályos és amorf . A legújabb fejleményekben[ mi? ] még két további állapotot tudott hozzáadni, ami megduplázta a chipek információs kapacitását , minden más tényező változatlansága mellett.

Számít[ kitől? ] a flash memóriával versengő egyik fő technológia , amely utóbbi számos megoldhatatlan problémájára nyújt megoldást.

Háttér

A kalkogenid tulajdonságait a memóriában való lehetséges alkalmazásokhoz először Stanford Ovshinsky , az Energy Conversion Devices munkatársa tárta fel az 1960-as években. 1970-ben az Electronics szeptemberi számában Gordon Moore , az Intel  egyik alapítója  közzétett egy cikket a technológiáról. Az anyagminőség és az energiafelhasználás azonban nem tette lehetővé a technológia kereskedelmi forgalomba hozatalát. Jóval később újra megindult az érdeklődés e technológia iránt, illetve az ezzel kapcsolatos kutatások, míg a flash és DRAM memóriatechnológiáknak a számítások szerint a chiplitográfiában a méretcsökkentéssel kellett volna szembenézniük .

A kalkogenid kristályos és amorf állapota alapvetően különbözik elektromos ellenállásban , és ez az információtárolás alapja.

A nagy ellenállású amorf állapot például egy bináris 0, a kristályos állapot pedig, amelynek alacsony az ellenállása, logikai 1-et kódol.

A kalkogenid ugyanaz az anyag, mint az újraírható optikai adathordozókban (például CD-RW és DVD-RW ). Ilyen közegben az anyag optikai tulajdonságai jobban szabályozhatók, mint az elektromos ellenállása, mivel a kalkogenid törésmutatója is változik az anyag állapotával.

Bár a PRAM még nem ért el kereskedelmi sikereket a fogyasztói elektronika területén, szinte minden prototípus kalkogenideket használ germániummal , antimonnal és tellúrral ( GeSbTe ), rövidítve GST. A Ge:Sb:Te elemek sztöchiometrikus összetétele vagy aránya 2:2:5. Amikor a GST-t magas hőmérsékletre (600 °C felett) hevítik, kalkogenid komponense elveszti kristályszerkezetét. Lehűtve amorf üvegszerű formává válik, elektromos ellenállása megnő. Ha a kalkogenidet a kristályosodási pontja feletti , de olvadáspontja alatti hőmérsékletre melegítjük , lényegesen kisebb ellenállású kristályos állapotba kerül. Az ebbe a fázisba való teljes átmenet ideje a hőmérséklettől függ. A kalkogenid hidegebb részei hosszabb ideig tartanak a kristályosodáshoz, a túlhevült részek pedig megolvadhatnak. Általában az alkalmazott kristályosodási idő 100 ns nagyságrendű [1] . Ez valamivel hosszabb, mint a hagyományos illékony memória, például a modern DRAM chipek, amelyek kapcsolási ideje két nanoszekundum nagyságrendű. 2006 januárjában azonban a Samsung Electronics Corporation szabadalmaztatott egy technológiát, amely öt nanoszekundumos kapcsolási időt biztosít a PRAM-ban.

Az Intel és az ST Microelectronics újabb kutatásai lehetővé tették az anyag állapotának alaposabb ellenőrzését, lehetővé téve, hogy a négy állapot egyikébe alakuljon át: kettő amorf és kristályos, két új állapot (részben kristályos). Ezen állapotok mindegyikének megvannak a saját elektromos tulajdonságai, amelyek leolvashatók, lehetővé téve, hogy egy cella két bitet tároljon, megkétszerezve a memóriasűrűséget [2] .

PRAM és Flash

A legérdekesebb probléma a PRAM és más flash memória helyettesítők kapcsolási ideje. A PRAM hőmérséklet-érzékenysége talán a legszembetűnőbb probléma, amely a technológia iránt érdeklődő gyártók számára változtatásokat igényelhet a gyártási folyamatban.

A flash memória úgy működik, hogy megváltoztatja a MOSFET kapuja mögött belül tárolt töltési szintet ( elektronok ) . A kapu egy speciális „köteggel” van felszerelve, amely a töltés megtartására szolgál (akár az úszókapun, akár a szigetelő „csapdákban” ). A töltés jelenléte a kapun belül megváltoztatja a tranzisztor küszöbfeszültségét , növelve vagy csökkentve azt, ami például 1-et vagy 0-t jelent. A bitek állapotának megváltoztatásához vissza kell állítani a tárolt töltést, ami viszont viszonylag nagy feszültséget igényel, hogy "kihúzza" az elektronokat a lebegő kapuból. Az ilyen feszültségugrást a töltésszivattyúzás biztosítja , amely bizonyos időt igényel az energia felhalmozásához. A gyakori flash eszközök teljes írási ideje 1 ms nagyságrendű (adatblokkonként), ami körülbelül 100 000-szerese például az SRAM tipikus 10 ns-es olvasási idejének (byte-onként).

A PRAM lényegesen nagyobb teljesítményt tud nyújtani a gyors írást igénylő területeken, mivel a memóriaelemek gyorsabban kapcsolhatók, valamint az egyes bitek értéke 1-re vagy 0-ra változtatható a teljes blokk törlése nélkül. sejtek. A hagyományos merevlemezeknél ezerszer gyorsabb PRAM nagy teljesítménye rendkívül érdekessé teszi a nem felejtő memória szempontjából, amelynek teljesítményét jelenleg az elérési idő (memória) korlátozza.

Ezenkívül minden egyes feszültség alkalmazása a flash memória cellák visszafordíthatatlan leromlását okozza. A cella méretének növekedésével a programozási károsodás a program által igényelt feszültség miatt növekszik, amely nem változik a litográfiai folyamat méretének megfelelően. A legtöbb flash-eszköz szektoronként körülbelül 10 000-100 000 írási ciklus erőforrással rendelkezik, és a legtöbb flash-vezérlő terheléselosztást hajt végre az írási műveletek több fizikai szektor között történő elosztása érdekében, így az egyes szektorok terhelése kicsi.

A PRAM-eszközök is leromlanak a használat során, de más okok miatt, mint a flash memória, és a leromlás sokkal lassabb. Egy PRAM-eszköz körülbelül 100 millió írási ciklust képes kibírni [3] . A PRAM chip élettartamát olyan mechanizmusok korlátozzák, mint például a GST tágulása miatti leromlás, amikor felmelegítik a programozás során, a fémek (és más anyagok) elmozdulása, valamint a még feltáratlan tényezők.

A flash memória részei programozhatók a lapra forrasztás előtt, vagy akár előre programozva is megvásárolhatók. Ezzel szemben a PRAM tartalma elveszik a szükséges magas hőmérsékleten, amikor az eszközt a táblához forrasztják ( reflow forrasztás vagy hullámforrasztás ). Ez rontja a készüléket a termelési ökológiai szempontból . A PRAM alkatrészeket használó gyártónak gondoskodnia kell egy mechanizmusról a PRAM chipek programozására, amelyek már „a rendszerben” vannak, vagyis miután felforrasztották őket a táblára.

A flash memóriában használt speciális kapuk lehetővé teszik, hogy a töltés (elektronok) idővel "kiszivárogjon", adatsérülést és adatvesztést okozva. A PCM memóriaelemek ellenállása stabilabb; normál, 85°C-os üzemi hőmérsékleten az adattárolás várhatóan több mint 300 évig tart [4] .

A kapun tárolt töltés mértékének gondos hangolásával a flash eszközök több (általában két) bitet tárolhatnak minden fizikai cellában. Ez hatékonyan megduplázza a memória sűrűségét, csökkentve a költségét. A PRAM-eszközök eredetileg csak egy bitet tároltak cellánként, de az Intel legújabb fejlesztései megkerülték ezt a problémát.

Mivel a flash-eszközök elektronmegtartást használnak az információk tárolására, érzékenyek a sugárzás miatti adatsérülésre, így alkalmatlanok űrbeli és katonai alkalmazásokra. A PRAM nagyobb sugárzásállóságot mutat.

A PRAM cellakapcsolók az eszközök széles skáláját használhatják: diódákat , bipoláris tranzisztorokat vagy N-MOS tranzisztorokat. Dióda vagy bipoláris tranzisztor használata biztosítja a legnagyobb áramerősséget adott cellamérethez. A dióda használatának problémája azonban a szomszédos cellák parazitaáramából, valamint a magasabb feszültségigényekből adódik. A kalkogenidek ellenállását növelni kell, ami dióda alkalmazását vonja maga után, mivel az üzemi feszültségnek jóval 1 V felett kell lennie ahhoz, hogy a diódából elegendő áram jöjjön létre. A dióda alapú kapcsolók használatának talán legfontosabb előnye (különösen nagy tömbök esetén) az az abszolút tendencia, hogy az áram visszafolyik az extra bitvonalakból. A tranzisztoros tömbökben csak a kívánt bitvonalak teszik lehetővé a töltés elvezetését. A töltéselvezetés különbségei több nagyságrenddel ingadoznak. További probléma a 40 nm alatti skálázásnál bizonyos szennyeződések hatása, mivel a p-n típusú csatolás jelentősen csökkenti a hatásterületet.

2000 és utána

2004 augusztusában a Nanochip engedélyezte a PRAM technológiát MEMS elektródákon (mikroelektromechanikai rendszerek) alapuló tárolóeszközökben való használatra. Ezek az eszközök nem szilárdtestek. Ezzel szemben egy meglehetősen kicsi kalkogenidbevonatú ostyát helyeznek el sok (több ezer vagy akár millió) elektróda közé, amelyek képesek olvasni vagy írni a kalkogenidet. A Hewlett-Packard mikromozgató technológiája lehetővé teszi a lapkák 3 nanométeren belüli pozicionálását, így a technológia továbbfejlesztésével 1 terabit (128 GB) négyzethüvelyknél nagyobb sűrűséget tesz lehetővé. A fő ötlet az, hogy csökkentsük a chipen forrasztott csatlakozások számát; Az egyes cellákhoz tartozó kapcsolatok helyett a cellákat közelebb helyezik egymáshoz, és a MEMS elektródákon áthaladó töltés olvassa le, amelyek összeköttetésként működnek. Egy ilyen megoldás az IBM Millipede technológiájához hasonló ötletet hordoz .

2006 szeptemberében a Samsung bejelentette egy kapcsolódiódán alapuló, 512 megabites (64 Mb) készülék prototípusát [5] . Egy ilyen bejelentés meglehetősen váratlan volt, és átlátszó nagy sűrűsége miatt fokozott figyelmet vonzott. A prototípus cellamérete mindössze 46,7 nm volt, ami kisebb, mint a kereskedelmi forgalomban akkoriban kapható flash eszközök. Bár voltak nagyobb kapacitású flash eszközök is elérhetők (64 Gb/s – 8 Gb, most jelent meg a piacon), a többi, a flash helyettesítéséért versengő technológia kisebb sűrűséggel (azaz nagyobb cellamérettel) rendelkezett. Például az MRAM - és FRAM -memória gyártásánál 4 Mbps sebességet lehetett elérni. A Samsung PRAM memória prototípusainak nagy sűrűsége garantált élettartamot kínált a flash memória versenytársaként, és nem korlátozódott a rés szerepére, mint más technológiák. A PRAM rendkívül vonzónak tűnik a NOR flash potenciális helyettesítőjeként , amely jellemzően elmaradt a NAND flash kapacitásától (a NAND kapacitás legújabb fejlesztései valamivel ezelőtt elérték az 512 Mbit-es mérföldkövet). A NOR flash hasonló sűrűséget kínál, mint a Samsung PRAM prototípusai, és már bitcímezhetőséget is kínál (ellentétben a NAND-dal, amely sok bájtos „bankon” keresztül éri el a memóriát).

A Samsung bejelentését követte az Intel és az STMicroelectronics közös bejelentése, akik 2006 októberében az Intel Developer Forumon mutatták be saját PCM-eszközeiket [6] . Mutattak egy 128 Mbit-es mintát, amely a közelmúltban megkezdte a gyártást az STMicroelectronics K+F üzemében az olaszországi Agrate városában. Az Intel azt állította, hogy az eszközök csak bemutatók voltak, de arra számítottak, hogy néhány hónapon belül megkezdődik a prototípusgyártás, és néhány éven belül a széles körű kereskedelmi gyártás. Az Intel nyilatkozataikból ítélve a Samsunggal azonos piaci területen célozta meg PCM termékeit.

A PCM katonai és űrhajózási szempontból nagyon ígéretes technológia, ahol a sugárzás használhatatlanná teszi a szabványos nem felejtő memóriát, például a flash memóriát. A PCM eszközöket a BAE Systems katonai vállalat vezette be C-RAM néven, és azt állították, hogy kiváló sugárzásállósággal ( besugárzással keményedés ) és a reteszelő effektussal szemben ellenállóak. Sőt, a BAE körülbelül 108 írási ciklust állít fel, így esélyes a PROM és EEPROM lapkák cseréjére az űrrendszerekben.

2008 februárjában az Intel mérnökei az STMicroelectronics-szal együtt bemutatták a többszintű PCM-tömb első prototípusát. A prototípus fizikai cellánként két logikai bitet tudott tárolni, azaz 128 Mb fizikai memóriában 256 Mb effektív memóriát tároltak. Ez azt jelenti, hogy a szokásos két állapot - teljesen amorf vagy teljesen kristályos - helyett két további köztes állapot kerül hozzáadásra, amelyek a részleges kristályosodás különböző fokát képviselik, lehetővé téve a bittömbök kétszeri, ugyanazon fizikai területen történő tárolását a chipen [2] .

Szintén 2008 februárjában az Intel és az STMicroelectronics megkezdte első PCM-termékük prototípusainak szállítását az ügyfelek számára. A 90 nm-es eljárással készült, 128 Mbps (16 Mb) sebességű terméket Alverstone-nak ( Alverstone ) [7] nevezték el .

A 2010-es évek második felében az Intel Optane PRAM meghajtók ( 3D XPoint ) [8] [9] [10] kereskedelmi forgalomban kaphatók . 2021 tavaszán az Intel stratégiai partnere ezen a területen, a Micron bejelentette, hogy teljesen elvesztette a hitét a 3D XPoint kereskedelmi sikerének lehetőségében, és eladta az azt gyártó céget; az üzem vásárlója, a Texas Instruments teljesen más termékekre alakítja át [11]

Problémák

A fázisváltó memóriával kapcsolatos legnagyobb probléma a programozható töltéssűrűség követelménye (>10 7 A/cm², szemben a hagyományos tranzisztorok vagy diódák 10 5 −10 6 A/cm² értékével ) az aktív fázisban. Emiatt a hatásterület sokkal kisebb lesz, mint a vezérlő tranzisztoré. A fázisváltó memória szerkezetének ezen eltérése miatt forróbb és véletlenszerűbb fázisváltó anyagot kell bele pakolni litográfiai méretekben. Emiatt a folyamat költsége csökken a flash memóriához képest. Így a 3D XPoint költsége körülbelül egy nagyságrenddel meghaladja a szokásos TLC 3D NAND költségét, és a rendelkezésre álló becslések szerint 1 GB ilyen memória előállítása legalább 0,5 dollárba kerül, ami nem teszi lehetővé az Intel belépését. az ilyen memóriára épülő meghajtók tömegpiaca (a vállalat azonban a hibrid fogyasztói termékekben talált kiutat, amelyek egyszerre épülnek 3D XPoint és QLC 3D NAND-ra) [11] .

A fázisátalakulás forró tartománya és a szomszédos dielektrikum közötti érintkezés a másik megválaszolatlan alapvető kérdés. A dielektrikum lehetővé teheti a töltés szivárgását, amikor a hőmérséklet emelkedik, vagy elszakadhat a fázisváltó anyagtól, amikor különböző szakaszokban tágul.

A fázisváltó memória nagyon érzékeny az önkényes fázisváltásra. Ez elsősorban annak a ténynek köszönhető, hogy a fázisátalakulás az elektronikushoz képest hőmérséklet-szabályozott folyamat. A gyors kristályosodást lehetővé tevő hőviszonyok nem lehetnek közel az állandósult állapothoz, például szobahőmérséklet. Ellenkező esetben az adatok megőrzése nem tart sokáig. Megfelelő kristályosodási aktiválási energiával megfelelő körülmények beállításával gyors kristályosodás érhető el, míg normál körülmények között nagyon lassú kristályosodás megy végbe.

Valószínűleg a legnagyobb probléma a fázisváltó memóriával az ellenállás és a küszöbfeszültség fokozatos időbeli változása [12] . Az amorf állapot ellenállása a hatványtörvény szerint lassan növekszik (~t 0,1 ). Ez némileg korlátozza a többszintű memóriacellák használatának lehetőségét (a továbbiakban a mögöttes köztes állapotot összekeverjük a felső köztes állapottal), és veszélyeztetheti a szabványos kétfázisú működést, ha a küszöbfeszültség meghaladja a megadott értéket.

Jegyzetek

  1. ↑ H. Horii et al., 2003 Symposium on VLSI Technology, 177-178 (2003).
  2. ↑ 1 2 A Memory Breakthrough archiválva : 2009. május 26., a Wayback Machine , Kate Greene, Technology Review, 2008. február 4.
  3. ↑ Az Intel idén a Sample Phase Change memóriát állítja be (a hivatkozás nem érhető el) . Hozzáférés dátuma: 2009. december 17. Az eredetiből archiválva : 2007. március 23. 
  4. ↑ Pirovano, A. Redaelli, A. Pellizzer, F. Ottogalli, F. Tosi, M. Ielmini, D. Lacaita, AL Bez, R. Reliability study of phase-change nonvolatile memory. IEEE-tranzakciók az eszközök és anyagok megbízhatóságán. szeptember 2004, 4. kötet, 3. szám, pp. 422-427. ISSN 1530-4388.
  5. ↑ A SAMSUNG bemutatja a nem felejtő memória következő generációját – PRAM . Letöltve: 2009. december 17. Az eredetiből archiválva : 2011. november 15.
  6. ↑ Az Intel előzetesek a Flash lehetséges cseréjét
  7. ↑ Az Intel, az STMicroelectronics szállítja az iparág első fázisváltó memóriaprototípusait (a hivatkozás nem elérhető) . Numonyx (2008. február 6.). Letöltve: 2008. augusztus 15. Az eredetiből archiválva : 2008. szeptember 6.. 
  8. ↑ Intel Optane SSD DC P4800X 750 GB gyakorlati áttekintés archiválva 2017. december 1-én a Wayback Machine -nél // anandtech.com
  9. ↑ Intel 3D XPoint Memory Diet eltávolítva az Intel Optane™ PCM-ből (Phase Change Memory) archiválva 2017. december 1-én a Wayback Machine -nél // techinsights.com
  10. ↑ Az Intel Optane XPoint memória választóelemei archiválva 2017. december 1-én a Wayback Machine -nél // techinsights.com
  11. ↑ 1 2 2021. évi eredmények: SSD-meghajtók – Mi a helyzet a 3D XPointtal Archiválva 2022. január 16-án a Wayback Machine -nél // 3DNews , 2022. január 14.
  12. ↑ D. Ielmini et al., IEEE Trans. elektrondev. köt. 54, 308-315 (2007).

Linkek

Erőforrások és webhelyek Hírek és sajtóközlemények