`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Flash: перезагрузка

0 
 

Водораздел

Рынок флэш-памяти растет не по дням, а по часам -- мир буквально "тронулся" на мобильности и флэш-ЗУ. По данным Semico Research, в 2002 г. этой продукции было продано на 7 млрд. евро, а в текущем эта цифра составит уже 12 млрд. Если так пойдет и дальше, то годовые доходы индустрии флэш-памяти увеличатся в 2007 г. до 40 млрд. евро. Но гонка вскоре застопорится и пирамида миллиардных долларовых вложений, спланированных на перспективу, обрушится, поскольку уже сегодня инженеры ясно видят предел повышения емкости флэш-памяти, изготовленной по традиционным технологиям. В данный момент размеры ячейки измеряются в микронах, последнее достижение Intel и AMD -- 0,18 мкм. В ближайшем будущем произойдет еще один технологический скачок, который приведет к внедрению процесса 0,13 мкм. Следующий год, по мнению экспертов, ознаменуется взятием барьера 90 нм, что позволит уместить в одной микросхеме до 2 Gb. Первой подобралась к нему Samsung, уже опубликовавшая детали своих разработок в этой области. В 2005 г. должны появиться первые схемы со средним размером элемента, равным 65 нм, в 2007 г. этот показатель будет стремиться к 45 нм, что, впрочем, ненамного улучшит ситуацию.

Вспомним конструкцию флэш-ячейки: ее основным элементом является транзистор с плавающим затвором. Фактически второй затвор такого транзистора играет роль накопителя электронов -- конденсатора. Он расположен между затвором и каналом и изолирован от проводящих зон слоем двуокиси кремния. Уже сейчас толщина изолятора достигает 90А, и,по словам специалистов, максимум, чего можно добиться, -- 80 А, а затем начнется утечка заряда. Несмотря на это напряжение, необходимое, чтобы переместить электроны на плавающий затвор, столь велико, что при плотности размещения ячеек, достижимой при разрешении производственного процесса на уровне 45 нм, вызовет серьезные перекрестные наводки в процессе записи. Микроскопические ячейки будет крайне сложно изолировать друг от друга.

Вывод очевиден: требуется новая технология изготовления энергонезависимой памяти. Возможно, даже не использующая транзисторов с плавающими затворами. Можно ли ее назвать флэш-памятью после этого? Вряд ли. Поэтому в данной статье мы уделим внимание наиболее вероятным преемникам EEPROM и флэш-технологий.


NROM: MirrorBit

Концепция зеркала (Mirror) подразумевает два объекта -- реальный и отраженный, но в данном случае речь идет о четырех: 4 бита в одной ячейке. Мы начнем с этой разработки, поскольку она наиболее схожа по своей схемотехнике и методике хранения информации с традиционной флэш-памятью. Да и среди всех прочих описанных в статье технологий MirrorBit или "four-bit-per-cell" уже близка к практической реализации. Первые коммерческие продукты должны поступить в продажу в следующем году.

История началась со скандала, а чем она закончится -- еще неизвестно. В свое время израильская компания Saifun совершила инвестиционный тур в стиле коммивояжеров: ее представители посещали наиболее крупные американские полупроводниковые корпорации и раскладывали на столах высокопоставленных менеджеров документацию на свое изобретение. А придумали они способ хранить два бита данных в одной ячейке флэш-памяти -- NROM, или Nitride ROM. Вернее, израильтяне смогли умело использовать идею двадцатилетней давности -- первое полупроводниковое устройство на основе нитрида кремния (Si3N4) было изготовлено Вигинером (H. A. R. Wegener) со товарищи в 1967 г.

Прошло некоторое время. Никто из вышеупомянутых менеджеров не проявил видимого интереса к разработке Saifun, но, что удивительно, корпорация AMD анонсировала технологию MirrorBit, в точности копирующую многие ее детали. Естественно, возникли претензии оформленные в судебном порядке. А еще некоторое время спустя иск растворился так же, как и появился. В качестве компенсации Saifun получила некоторую неразглашенную сумму инвестиций (по слухам, 50 млн. долл.) от партнеров по MirrorBit -- AMD и Fujitsu. За время судебных разборок израильтяне умудрились еще дальше продвинуться в своих исследованиях, так что альянс, по примирении, стал обладателем очередной многообещающей технологии, позволяющей записывать до четырех бит в одной ячейке флэш-памяти. Секрет в применении сразу двух методик удвоения информационной емкости: MirrorBit и Multi Level Cell (MLC, пример внедрения -- Intel StrataFlash).

Суть MLC уже столько раз обсуждалась на страницах еженедельника, что мне остается только отослать читателей к архиву публикаций ("ML-ROM, или Как уместить 100 GB на одном DVD"). Согласно этой технологии, данные кодируются с помощью нескольких уровней заряда: 4 уровня позволяют надежно распознавать два битных значения. Итоговая емкость 2 x 2 = 4, нехитрая арифметика. Таким образом, не уменьшая размера ячейки и толщины изолирующего слоя, инженеры альянса смогли увеличить плотность записи данных.

Специалисты Saifun приложили руку и к базовым технологиям производства флэш-памяти. Применив в качестве присадки для проводящих дорожек линий битов мышьяк, а для дорожек линий слов комбинацию вольфрама и поликристаллического кремния, они значительно уменьшили зазоры между линиями битов. Конечным итогом модификации стало троекратное уменьшение размеров ячейки по сравнению с другими существующими сегодня технологиями. Впрочем, представитель AMD заявил, что если его компания сконструировала ячейки, в три с половиной раза превышающие размеры минимального элемента (minimum feature size, определяется разрешением производственного процесса), то ячейка Saifun лишь в 2,5 раза больше минимального элемента.

Flash перезагрузка
Рис. 1
Понять функционирование MirrorBit, исходя из документации AMD, непросто. Некоторую ясность вносят израильские научные публикации. Ячейка NROM обладает весьма специфической структурой, далекой от упрощенных схем, представленных на сайте американской корпорации (рис. 1).

Ячейка представляет собой "сэндвич", состоящий из общего затвора, подключенного к линии слов, и изготовленных из полупроводников с одинаковым типом носителя (n) двух стоков/истоков, которые подсоединяются к двум соседним линиям битов. В промежутке между стоками/истоками сформирован трехслойный "плавающий затвор": сначала тонкий слой изолирующего окисла, потом нитрид кремния, затем снова слой окисла. "Плавающий затвор" лишь самыми краями перекрывается с зонами стоков/истоков.

Обратите внимание на вышеприведенную иллюстрацию. Чтобы запрограммировать бит 1, необходимо приложить повышенное напряжение к ближайшей к нему линии битов и линии слова. Электроны, пытаясь преодолеть положительное поле подложки (дырочная проводимость), концентрируются на тройственной границе между подложкой, правыми стоком/истоком и отделенным от них тонким слоем изолятора нитридным плавающим затвором. Наиболее высокоэнергетические электроны, называемые горячими, получают достаточно энергии, чтобы проникнуть сквозь слой окисла -- процесс, известный как "инжекция горячих электронов в канал" (Channel Hot Electron injection -- CHE).

Материал плавающего затвора обладает одним замечательным свойством -- он способствует локализации заряда и препятствует его "растечению" по полупроводнику. Это позволило создать в плавающем затворе отдельные зоны, в которых сохраняются различные заряды, не взаимодействующие между собой. Соответственно, приложив напряжение к левым стоку/истоку и затвору, мы создадим еще один независимый от первого заряд. Это и есть второй бит.

Чтение осуществляется путем смены ролей стока и истока: для чтения первого бита небольшое напряжение подается на левые сток/исток и затвор, а для детектирования второго бита все делается наоборот -- под напряжением правый сток/исток. Удаление зарядов производится путем подачи положительного напряжения на ближайшие сток/исток и заземления затвора, что приводит к процессу инжекции дырок (Hot Hole Enhanced Tunneling -- HHET) на плавающий затвор и рекомбинации зарядов.

Рассматривая рыночные перспективы инновации, следует помнить о ее природе. NROM относится к классу NOR-типов флэш-памяти: весьма специфический сегмент индустрии. Благодаря хорошему времени произвольного чтения такие чипы применяются для хранения программного кода, но для данных больше подходят NAND-чипы, которые уже давно превзошли показатели плотности и ценовой эффективности, стандартные для NOR. Кроме того, на подходе NAND-продукты (к примеру, Hitachi Assisted Gate-AND), использующие мультибитные ячейки, аналогичные технологии MirrorBit.


OUM: Ovonics

Рассказывая об этом типе памяти, обратим внимание на то, что технология называется Ovonix Unified Memory, или OUM, а фирма, занимающаяся ее "доводкой", -- Ovonix. Это одна из самых "засекреченных" разработок -- информацию о ней разыскать практически невозможно.

Компания Ovonix, которая в настоящее время находится в совместном владении Intel, ECD (Energy Conversion Devices) и Тайлера Лоури (Tyler Lowery), занимающего в ней должность CEO, была специально создана для выведения OUM на рынок. Причем Лоури оказались столь близки радикально новые идеи инженеров ECD, что ради участия в разработке он бросил успешную карьеру в Micron Technologies. Видимо, Лоури, сравнив потенциал технологий, имел все основания полагать, что дни производителей DRAM сочтены. Все авторские права на изобретение принадлежат компании ECD -- более чем многопрофильной организации. На ее счету масса продуктов, относящихся к различным сферам инженерии. Один из наиболее известных -- совершенные металлгидридные аккумуляторы, позволившие электромобилям, построенным с их применением, семь лет подряд побеждать в традиционном соревновании American Tour de Sol.

Flash перезагрузка
Рис. 2
На что же претендует OUM? Как вы понимаете, название обязывает и память призвана заменить не только EEPROM или флэш-память, но и SRAM вместе с DRAM. Помимо всего, технология потенциально совместима с CMOS-процессом, что позволит применять ее в логических микросхемах. OUM откровенно проста в своей концепции, однако не столь проста в тонкостях практической реализации (иначе почему никто раньше не додумался и не сделал?). Схемотехника по своей структуре схожа с флэш-памятью: запоминающие ячейки, подключенные к линиям битов и слов. В текущей конструкции (рис. 2) двустабильное состояние ячейки меняется с проводящего на непроводящее, но для хранения бита используется не плавающий затвор модифицированного полярного транзистора, а участок слоя, сформированного из халькогенидного сплава (GeSbTe). Слой, а точнее тонкая пленка из сплава с содержанием германия, селена и теллура, разогревается миниатюрным нагревающим элементом, которым управляет полевой транзистор.

С помощью электрического импульса малой продолжительности (10 нс) и большой амплитуды (1 мА) халькогенидный заменитель "плавающего затвора" удается разогреть до 600 °С, что приводит к переходу материала в аморфное состояние, отличающееся повышенным сопротивлением. Но если этот же фрагмент слоя выдерживать при более низкой температуре в несколько раз дольше, то материал кристаллизуется и, грубо говоря, перейдет в "проводящее состояние". В данный момент созданный Ovonix халькогенидный сплав (по своим свойствам он аналогичен смеси, используемой для изготовления CD-R) обладает завидными характеристиками, в частности, он выдерживает до 1012 циклов чтения/записи.

Первый пробный экземпляр OUM-чипа был представлен в феврале 2002 г. на конференции International Solid-State Circuits Conference. Он изготовлен по технологии 0,18 мкм, мог выдержать 1012 циклов перезаписи и способен хранить информацию при температуре 120 °С в течение 10 лет. Проектированием микросхемы занимались специалисты корпорации Azalea Microelectronics.

Производство еще не начато, но уже сейчас рассматривается возможность увеличения емкости нового типа памяти за счет использования нескольких уровней проводимости халькогенидной пленки. По результатам исследований, сопротивление материала в проводящем и непроводящем состояниях различается более чем в 100 раз, что оставляет достаточное пространство для маневра.

Ovonix не будет производить чипы -- все заботы об этом отданы на откуп влиятельным партнерам. Но Intel как участник проекта Ovonix, не является монополистом на право использования OUM. Корпорации STMicroelectronics и British Aerospace (BAE Systems) тоже приобрели лицензии и ведут свои разработки. Европейцы, а точнее, итальянцы из STMicroelectronics в декабре 2002 г. наконец вышли из состояния полной секретности и поведали миру о своих достижениях в этой области. В частности, все детали были представлены в ходе вашингтонской конференции International Electron Devices Meeting.

Среди главных проблем, препятствующих широкому внедрению халькогенидных микросхем, специалисты называют перегрев ячеек при высокой частоте циклов перезаписи, взаимовлияние ячеек и высокую токсичность используемых материалов.


FRAM: ферроэлектрическая память

Flash перезагрузка
Рис. 3
Сердце ферроэлектрической ячейки памяти (Ferroelectric Random Access Memory -- FRAM, FeRAM) -- материал, способный сохранять свой электрический дипольный момент в отсутствие внешнего поля. Эффект обусловлен изменениями структуры кристаллической решетки. Ноу-хау технологии -- подвижные атомы, меняющие свое местоположение в решетке, что придает кристаллам материала свойства диполя (рис. 3). В качестве запоминающей субстанции в FRAM используют сплавы свинца, циркония и титана (PZT) или соединение SrBi2Ta2O9 (SBT). Внутри таких материалов образуются домены, включающие в себя множество отдельных диполей. Внутри домена все диполи благодаря взаимовлиянию ориентируются в одном направлении, что и отличает один домен от другого. Но стоит приложить внешнее электрическое поле -- и диполи, попавшие под его влияние, сориентируются вдоль его силовых линий. Благодаря эффекту "памяти" (подвижному атому) после отключения поля диполи будут сохранять приданную им ориентацию. Так производится запись.

Чтобы считать информацию из ячейки, необходимо приложить к ней меньшее напряжение, но таким же образом, как это было сделано при записи. Если полярность электрического поля чтения будет такой же, как и при записи, то на линии битов, подключенной к ячейке, появится небольшой электрический импульс. В случае, если приложенное напряжение вынудит диполи изменить свою ориентацию, то выходной импульс на линии битов окажется значительно больше вследствие смены своего местоположения "блуждающим" атомом. По завершении операции состояние ячейки будет изменено, поэтому каждый цикл чтения должен включать в себя цикл перезаписи.

Переключение диполя происходит за время, меньшее 1 нс, а общее время доступа равняется сегодня 70 нс (по сведениям компании Ramtron). Правда, значение импульса, а точнее, различие между "нормальным импульсом" и "импульсом переключения" столь мало, что детектировать его довольно проблематично. Видимо, потери в линиях адресации оказались достаточно существенными, чтобы затруднить достоверную регистрацию.

Flash перезагрузка
Рис. 4
Для нивелирования погрешностей, вносимых длиной линий битов в первоначальной конструкции FRAM, пришлось соединить ячейки попарно (рис. 4) по схеме 2T2C (расшифровывается как "two-transistor two-capacitor"). Это дало возможность проводить точные измерения значений импульсов, поскольку идет сравнение двух эквивалентных источников сигнала (применяется наиболее эффективный измерительный прибор -- дифференциальный усилитель). Еще один плюс тандемной схемы есть следствие другого недостатка технологического процесса. Ячейки, сформированные на разных участках, дают различные уровни сигналов, поскольку добиться абсолютной однородности практически невозможно. Физически близкое расположение контрольной и рабочей ячеек гарантирует максимально схожие их физические характеристики.

Конечно, ничего хорошего для соотношения цена/емкость методика 2T2C не сулила. Поэтому в 2001 г. ученые были вынуждены добиться приемлемого уровня стабильности от чипов 1T1C -- один транзистор на одну ячейку.

Преимущества FRAM по сравнению с любыми разновидностями традиционной флэш-памяти огромны. Энергетически менее емкая схемотехника, большой ресурс по циклам перезаписи (1010) и высокая скорость перезаписи приносят выгоды еще на этапе производства цифровых устройств (при записи первичной конфигурации или встроенного ПО). К тому же в некоторых ситуациях высокая скорость перезаписи -- это еще и стабильность, устойчивость памяти к колебаниям напряжения питания. Ферроэлектрическая память полностью совместима по количеству производственных этапов со стандартной CMOS-технологией.

Большое количество рабочих циклов позволило FRAM претендовать на место SRAM. Например, недавно японские инженеры из Fujitsu, проектируя матрицу репрограммируемой логики FPGA (Field Programmable Gate Array), решили отказаться от традиционных способов хранения (EEPROM) конфигурационной информации, определяющей функциональную структуру микросхемы, и воспользовались для этих целей ферроэлектрической памятью. Они составили наглядную сравнительную таблицу различных типов энергонезависимой памяти по важным для проектировщиков микросхем позициям.

Основные нарекания практиков-технологов, пытающихся наладить производство микросхем FRAM большой емкости, как правило, имеют отношение к сложности процесса изготовления кристаллической пленки. Для ее формирования требуется выдерживать чип при высоких температурах в насыщенной кислородом атмосфере, что приводит к окислению металлических адресных линий. Да и сама пленка оказалась чувствительной к водородной пассивации, применяющейся на одной из стадий формирования микросхем. Подобные противоречия удается обойти за счет наложения специальных временных масок, защищающих отдельные фрагменты чипа от воздействия вредных для них технологических процессов или агрессивных химических веществ.

Первые коммерческие микросхемы FRAM емкостью 4 Kb появились еще в 1993 г. Тогда их производством и продажей занималась только Ramtron International -- изобретатель технологии, работавший над ней с 1984 г. Однако в последние годы активность на этом рынке проявили несколько других компаний, ведущих параллельные исследования в данной области. Как утверждает Ramtron, это результат ее "успешной лицензионной политики". В частности, Toshiba и Infineon Technologies создали чип 32 Mb со временем доступа по чтению, равным 50 нс. В это же время союз Texas Instruments и Ramtron умудрился объединить в рамках одной микросхемы 4 Mb SRAM и такой же объем ферромагнитной памяти. Сама же компания-изобретатель производит микросхемы 256 Kb и уже имеет опытные образцы 1 Mb. Пока продукция применяется, в основном, для хранения конфигурационных данных небольшого объема в любых цифровых устройствах. Например, ею оснащаются некоторые RAID-контроллеры.


План развития полупроводниковых технологий

Год  2002  2003  2004  2005  2008  2011  2014 
Масштаб (half-pitch), нм  130  120  110  100  70  50  35 
Минимальное рабочее напряжение Vdd, В  1,2  1,2  0,9  0,9  0,6  0,5  0,3 
Ячейка DRAM, кв. мкм  0,1  0,08  0,07  0,044  0,018  0,008  0,003 
Время сохранения DRAM, мс  250  250  250  500  500  500  500 
Время сохранения энергонезависимого ЗУ, лет  10  10  10  10  10  10  10 
Максимальное количество циклов перезаписи  100 тыс.  100 тыс.  100 тыс.  100 тыс.  100 тыс.  1 млн.  1 млн. 
Стоимость (цент/бит)  17  11  5,3  1,9  0,6  0,2 
0 
 

Напечатать Отправить другу

Читайте также

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT