Перспективные виды памяти

Часть 1 см. здесь.

Традиционные технологии памяти компьютеров и электронных устройств приближаются к своим пределам развития. Исследователи во всём мире стараются разрабатывать новые виды памяти, чтобы преодолеть технологические ограничения. В основном, эти новые технологии используют принципы построения постоянной (non-volatile) памяти: PCM, RRAM (ReRAM), FRAM (FeRAM), MRAM, STT MRAM и других, а также многих их разновидностей.

Например, магниторезистивная память MRAM (Magnetic RAM) и память с туннельным эффектом спинового момента STT MRAM (spin-transfer torque MRAM) уже начала вытеснять традиционные виды памяти RAM. Использование спиново-электронных технологий может открыть путь к разработке микропроцессоров на основе принципов квантовых вычислений. Спиновая логика может быть полезна для обработки данных непосредственно в памяти (in-memory processing). По цене MRAM и STT MRAM уже приближаются к SRAM, а при более низком, чем у неё, энергопотреблении, вероятно в будущем заменят SRAM.

Перспективы замены оперативной памяти RAM на высокоскоростную и выносливую постоянную память STT-MRAM и MRAM при снижении цены устройств делают эти технологии очень привлекательными, в особенности при больших объёмах производства, что ещё больше снизит цены. MRAM уже используется в ряде корпоративных и потребительских электронных устройствах в качестве кэш-памяти, а также она используется как встроенная память в «системах на чипе» SoC (System on Chip). MRAM и STT-MRAM можно использовать при производстве традиционных логических устройств на базе МОП-транзисторов (MOS-metal oxide semiconductor). Чипы MRAM и STT-MRAM можно размещать поверх чипов МОП-логики ещё на этапе производства полупроводниковых пластин.

Перспективы памяти с плавающим затвором

Нестираемая память NVM (non-volatile memory) чаще всего выполняется на базе полевых транзисторов с плавающим затвором FG (Floating-gate). Идея использования плавающего затвора в МОП-транзисторах (MOS, Metal-Oxide-Silicon) для создания постоянной памяти возникла ещё в 1967 году в лабораториях Bell Labs в США.

С тех пор появлялось много различных технологий, претендующих на роль «универсальной полупроводниковой памяти» USM (Universal Semiconductor Memory). Такая память могла бы универсализировать огромнейший рынок потребительской электроники и компьютеров. А в будущем – это был бы ещё более огромный рынок приложений: от автоматизации производства до здравоохранения, искусственного интеллекта и других инновационных областей.

В последние 50 лет удалось уменьшить ячейки памяти при более высокой ёмкости хранения данных на чипе, более высоких скоростей записи-считывания и снижении энергопотребления.

Однако, память на базе «плавающего затвора» FG имеет внутренние ограничения и быстро приближается к своим конструктивным пределам. После того, как размер ячейки флэш-памяти в 2005 году стал менее 32 нм, стали проявляться технологические пределы производства. Пределы толщины оксидного слоя и внутреннего слоя диэлектрика в структуре MOS-транзистора (это требуется для обеспечения достаточной надёжности хранения информации) ограничивают дальнейшее уменьшение размеров ячейки памяти, как по горизонтали, так и по вертикали.

Кроме того, расстояние между соседними ячейками при уменьшении их размеров также уменьшается, что вызывает электромагнитные наводки между зарядами плавающих затворов в соседних ячейках. При уменьшении размеров также уменьшается и количество заряда в плавающем затворе, и он становится плохо различимым при считывании данных, что не позволяет уменьшать размеры ячеек ниже определённого минимума.

Иначе говоря, снижение размеров ячейки памяти FG неизбежно ведёт к снижению её надёжности и сейчас уже практически достигнут предел уменьшения размеров ячейки FG.

В последние годы был разработан ряд перспективных технологий, которые дали возможность выйти за рамки традиционной технологии FG                                                                                                                                                                                                                            

Магниторезистивная память MRAM (magnetoresistive RAM)

Разработка различных видов MRAM ведётся с 1990-х годов, а первый прототип был предложен компанией IBM в 1970-х годах. Тогда ожидалось, что она заменит DRAM и станет универсальным стандартом для всех электронных устройств. Ячейка памяти MRAM содержит два магнитных элемента памяти: один с фиксированной магнитной полярностью, другой – с переключаемой. Они расположены один над другим c тонким слоем изолятора, через который возможно туннелирование заряда. Такая структура обеспечивает т.н. «магнитную резистивность», то есть изменение сопротивления под действием магнитного поля. Пропуская ток через транзистор, можно менять состояние магнитного поля в переключаемом слое. Если направление тока совпадает с направлением спина электронов в постоянном магнитном слое, то за счёт туннельного эффекта состояние ячейки устанавливается в 1. Если ток не совпадает со спином, туннельный эффект не возникает, и ячейка остаётся в состоянии 0.

При сочетании скорости считывания SRAM и плотности DRAM, память MRAM обладает потенциалом для повышения скорости работы и объёма хранимых данных, а также значительного снижения энергопотребления.

Такие компании как Samsung, IBM, Hitachi and Toshiba и TSMC активно разрабатывают собственные варианты MRAM. С точки зрения энергопотребления и скорости работы, MRAM успешно конкурирует с другими видами DRAM и Flash-памяти.

Недостатком технологии является то, что при уменьшении размера ячейки может появиться паразитное влияния магнитного поля соседних ячеек друг на друга. Кроме того сложность и стоимость прецизионность производственного процесса, также нельзя отнести к её достоинствам.

Преимуществом является то, что при отсутствии операций чтения или записи память MRAM почти не потребляет энергию. Теоретически, при чтении MRAM должна потреблять больше энергии, чем DRAM, однако на практике энергоёмкость чтения у них мало отличается друг от друга. Тем не менее, процесс записи требует в несколько раз большей энергии, чем при чтении, — эта энергия расходуется на изменение магнитного поля.

STT-MRAM (Spin-transfer torque RAM)

Магниторезистивная память с переносом момента спина STT-MRAM (Spin-transfer torque RAM) – усовершенствованный вид магниторезистивной памяти с более быстрым считыванием, меньшим размером ячеек, что делает эту память достойным кандидатом на замену DRAM и SRAM. Процесс чтения в STT-MRAM неотличим от MRAM.

В MRAM значения 0 или 1 устанавливаются в соответствии со спином электронов в переменном магнитном слое. STT-MRAM, в свою очередь, использует наведённые спинами токи, что позволяет достичь уменьшения размеров ячейки и энергопотребление.

В STT-MRAM происходит перенос спина электронов, попадающих в свободный слой. В нормальных условиях электроны вращаются случайным образом, но, если направлять в ферромагнитный слой предварительно ориентированные по спинам электроны, поляризация будет соответствовать направлению общего спина. То есть, при записи в ячейку STT-MRAM электрический ток поляризуется в соответствии с направлением спина электронов, для чего используется т.н. «пробой магнитного туннеля» MTJ (magnetic tunnel junction) через p-n-переход. При этом происходит изменение сопротивления магнитного туннельного перехода.

STT-MRAM является более подходящей технологией для MRAM, которая может использоваться в программируемых микросхемах FPGA (field-programmable gate array), микроконтроллерах и системах на чипе SoC (System-on-Chip). Дополнительным преимуществом является то, что напряжение, требуемое для ячейки STT-MRAM, составляет всего 1,2 В.

Элементы памяти STT-MRAM разрабатываются такими компаниями, как Everspin, Grandis, Hynix, IBM, Samsung, TDK и Toshiba.

Нерешённой проблемой в STT-MRAM пока остаётся наилучший компромисс между противоречащими параметрами: низкого тока переключения, высокой термической стабильности, достаточного быстродействия считывания и записи (менее 10 нс), а также низкого энергопотребления.

Память с изменяемым фазовым состоянием PCM (Phase-change memory)

Другие названия этой памяти: PCME, PRAM, PCRAM, OUM (ovonic unified memory), а также C-RAM (chalcogenide RAM).

В 1969 году Чарльз Ши (Charles Sie) из Университета штата Айова (США) опубликовал диссертацию, где продемонстрировал принцип ячейки памяти с изменяемым фазовым состоянием PRAM (Parameter Random Access Memory). Ячейка представляла собой полупроводниковый массив с халькогенидной плёнкой. Халькогенид широко применяется для покрытия компакт-дисков с возможностью перезаписи. Однако здесь используются не электрические, а оптические свойства халькогенида: изменение коэффициента отражения при изменении состояния материала. К сожалению, на рубеже 60-70-х годов качество исходных материалов и сложности технологии не позволили вывести память PRAM на рынок.

Почти все прототипы устройств PRAM используют халькогенидные сплавы германия, сурьмы и теллура.

Практическая реализация таких устройств оказалась весьма сложным делом, поскольку свойства ячеек с изменяемым фазовым состоянием быстро деградируют.

Первая коммерческая память PCM/PRAM объёмом 128 Мбит на чипе с шагом 90-нм была произведена компанией Numonyx (дочерней компанией Intel) в 2008 году, а также компанией STMicroelectronics, которая в 2010 году была приобретена компанией Micron. Эта компания в 2012 году разработала чип памяти PCM ёмкостью 1 Гбит по технологии 45 нм, который поставлялся для мобильных телефонов компании Nokia, но в 2014 году этот продукт был снят с продажи.  

Последняя разработка, использующая технологию PCM, получившая название 3D Xpoint, была анонсирована Intel и Micron в июле 2015 года. Хотя обе компании прилагали усилия, чтобы не раскрывать базовую технологию, было установлено, что в качестве элемента памяти в ней был использован сплав с изменяемым фазовым состоянием. Устройства памяти по «технологии 3D Xpoint» (по сути – РСМ) были выпущены под брендом Intel Optane и сейчас доступны как постоянная память ёмкостью 16 – 64 Гбайт и более.

Ферроэлектрическая память FRAM (ferroelectric RAM, FeRAM)

FeRAM имеет быстродействие почти как у оперативной памяти DRAM. Структура ферроэлектрической ячейки показана на рисунке.

Ячейка памяти состоит из n-p-n транзистора и ферроэлектрического конденсатора. Доступ к ячейке осуществляется через транзистор, который может изменять полярность заряда ферроэлектрика. («0» или «1»). Однако, несмотря на название, никакого железа (ferrum) в ячейке нет. В ней на самом деле используется цирконат-титанат свинца (lead zirconate titanate, PZT), однако, исследуется возможность использования и других материалов.

Основным разработчиком FeRAM является компания Ramtron International. Такая память способна сохранять информацию при снятии питания. Однако, такая память хотя и держит заряд некоторое время, но недолго. Как диэлектрик, так и ферроэлектрик, при приложении внешнего электрического поля поляризуются, а при снятии поля поляризация исчезает. Однако, ферроэлектрик имеет боле широкую петлю гистерезиса поляризации (см. рисунок выше), в отличие от диэлектрика, и поэтому дольше держит заряд.

Недостатком FeRAM является «деструктивный» метод считывания. Считывание заключается путём записи «1» в каждую ячейку и, если её состояние изменяется, фиксируется небольшой ток, означающий, что до считывания ячейка находилась в состоянии «0».

Преимуществом является высокая скорость работы (быстрее, чем у Flash), а также устойчивость к большому количеству циклов перезаписи, что продлевает срок её службы. Это, вероятно, даст возможность заменить электрически-программируемую память EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM) и SRAM в будущих устройствах для мобильных сетей 5G.

Халькогенидная память PCRAM

Память PCRAM (perfect chalcogenide RAM – совершенная халькогенидная RAM), это постоянная память, которая может находиться в двух фазовых состояниях (аморфном и кристаллическом).  

Большинство материалов с изменяемой фазой состояния содержат, по крайней мере, один элемент шестой группы периодической таблицы химических элементов. Выбор доступных материалов может быть ещё больше расширен внедрением примесей в эти элементы шестой группы. В частности, очень перспективными материалами являются сплавы германия, свинца и теллура GeSbTe, которые носят общее название GST.

Эти материалы часто используются как оптический слой в перезаписываемых компакт-дисках (CD-RW и DVD-RW). Структура материала может быстро меняться из кристаллической в аморфную и наоборот. Это позволяет материалу быть проводником в кристаллическом состоянии и диэлектриком – в аморфном. При больших масштабах производства память РСМ показывает довольно низкую себестоимость. Кроме того, к преимуществам РСМ стоит отнести её трёхмерную структуру, что позволяет получить большую плотность размещения ячеек на чипе.

PCM иногда называют «perfect RAM» («совершенная память»), потому, что данные могут перезаписываться без предварительного их стирания.

Недостаток PCRAM в том, что для перезаписи нужен сильный ток, однако, с уменьшением размеров ячейки уменьшается и ток. Ожидается, что чипы PCRAM будут служить по крайней мере в семь раз больше, чем флэш-память, и в массовом производстве могут оказаться дешевле.

Рабочие прототипы PCRAM тестировались компаниями IBM, Infineon, Samsung, Macronix и другими ещё в 2008 году. Однако, информации о массовом производстве PCRAM до сих пор нет, хотя в 2017 году в США был получен патент на способ её производства.

Сравнение технологий MRAM, STT-RAM, FeRAM, и PCM

В таблице показано сравнение технологий, рассмотренных выше видов памяти, как потенциальных кандидатов на звание «памяти следующего поколения».

Таблица 2- 1. Сравнение технологий MRAM, STT-RAM, FeRAM, и PCM.

Параметр	FeRAM	MRAM	STT-RAM	PCM (PC-RAM)
Размер ячейки (F2)	Большой, от 20 до 40	Большой, около 25	Небольшой, от 6 до 20	Небольшой, около 8
Механизм хранения	Постоянная поляризация ферроэлектрического материала (PZT или SBT)	Постоянная поляризация ферромагнитного материала в MTJ	Перенос заряда со спиновой поляризацией в магнитном моменте	Переход между аморфным и поликристаллическим состоянием сплава металлов
Время чтения (нс)	20 — 80	3 — 20	2 — 20	20 — 50
Время записи или стирания (нс)	50/50	3 — 20	2 — 20	20/30
Мощность записи	Средняя	Средняя, высокая	Низкая	Низкая
Нестираемость	Да	Да	Да	Да
Зрелость	Ограниченное производство	Опытные образцы	Опытные образцы	Опытные образцы
Применения	Низкая плотность	Низкая плотность	Высокая плотность	Высокая плотность

Резистивная память ReRAM (resistive RAM)

Принцип действия резистивной памяти ReRAM (RRAM) основан на изменении электрического сопротивления материала ячейки для хранения данных.

RRAM рассматривается как перспективный вид памяти, которая имеет шансы на широкое использование во многих областях – от потребительской электроники и персональных компьютеров до автомобилей, медицинского, военного и космического оборудования. Эта технология привлекательна ещё и тем, что хорошо «вписывается» в существующий ландшафт традиционного оборудования для производства полупроводников.

Основной элемент памяти RRAM – «мемристор», то есть, элемент, который сохраняет величину электрического сопротивления после приложения тока. После импульса тока внутри него выстраивается проводящий мостик (тонкая нить) из внедрённых в полупроводник ионов металла. После повторного импульса тока этот мостик разрушается и полупроводниковый оксид снова переходит в исходное состояние высокого сопротивления. Измерением этого сопротивления можно считывать информацию из ячейки неразрушающим методом.

Данный вид памяти имеет все шансы стать «универсальным ПЗУ» для самых различных применений, от RAM до замены SSD-флэш и жёстких дисков.

Исследования перспектив массового производства этого вида памяти ведут многие полупроводниковые компании. Google исследует возможность применения RRAM в системах машинного обучения на базе нейронных сетей, как и ряд других компаний.

Память на квантовых точках (QD memory)

Стоит упомянуть ещё об одном виде памяти на т.н. «квантовых точках» (Quantum Dot) в свете грядущего перехода на квантовые компьютеры. Исследования памяти на квантовых точках, которые ведутся в Техническом университете Берлина совместно с учёными из Стамбула, показывают, что такая память может совместить преимущества высоких скоростей работы DRAM и долговечности хранения данных во флэш-памяти, а также иметь высокую плотность размещения – около 1 терабайта на квадратном дюйме, со временем считывания-записи 6 нс и менее.

Однако, эти свойства в реальном производстве сложно достигнуть из-за нестабильного размера квантовых точек и неравномерности изолирующего слоя между ними. То есть, проблемы снова представляют существующие пределы геометрической точности производства.

Другие новые типы памяти

Исследования в области новых типов памяти, способных заполнить технологический разрыв между DRAM и SSD, ведутся многими исследователями в различных организациях.

Можно назвать виды памяти, находящиеся в различных стадиях исследований:

• Racetrack memory: память, хранящая данные в нано-проводе U-образной формы, формирующем магнитное поле, полярность которого означает бит данных;
• Molecular memory: молекулярная память, которая использует образцы молекул для хранения битов данных, вместо электрических или магнитных цепей, неорганических материалов, или физических форм;
• Molecular Nano—Wire (MNW): память на массиве молекулярных нано-проводов, данные в которой хранятся в канале нано-транзистора, где используются окислительно-восстановительные химические процессы, а не электрические заряды.
• Semiconductor Nano—Wire (SNW): память на полупроводниковых нано-нитях, ячейка которой представляет собой полевой транзистор с истоком и стоком, соединёнными полупроводниковой нитью нано-размера.
• Nano-tube RAM (NRAM): ячейка памяти представляет собой углеродную нано-трубку CNT (carbon nano-tube), где для хранения информации используются нано-механические принципы, а не изменение свойств материалов.

Разрабатываются и довольно экзотические виды памяти.

• Память Millipede: в 2002 году компания IBM разработала некий гибрид перфокарты и нано-памяти под названием Millipede. Она представляет собой нано-слой полимера, в котором данные хранятся в виде ямок, которые могут быть записаны и считаны специальным нано-щупом. Несмотря на кажущуюся громоздкость такого способа записи, на одном квадратном сантиметре можно записать до 1 терабайта данных. Millipede разрабатывалась как возможная замена магнитной записи для жёстких дисков, а также для уменьшения размеров флэш-памяти. Прототип такой памяти мог хранить объём 25 DVD-дисков на чипе размером с SD-карту. Недостатком такой памяти является нестойкость к высокой температуре: при 85^оС можно потерять 10-20% данных.

• Transparent and flexible memory (TFM): прозрачная и гибкая память, которая представляет собой разновидность TFE-устройств (Transparent Flexible Electronics). Это новая технология, где используются материалы (оксиды, нитриды и карбиды) для формирования невидимых электронных схем.