`

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: революция

0 
 

MRAM: магниторезистивная память

По своим характеристикам MRAM является прямым конкурентом FRAM и имеет высокую скорость записи (менее 50 нс) и считывания, неограниченное количество циклов перезаписи. Принцип ее действия основывается на изменении направления намагниченности ферромагнетика, что влияет на электрическое сопротивление специально сформированной структуры. По свойствам ферромагнетик аналогичен ферроэлектрику: атомы его кристаллической решетки сохраняют направление магнитного момента, приданное внешним полем, и после выключения последнего. В роли датчика выступает тончайшая пленка (1,5 нм) диэлектрика, разделяющая два намагниченных электрода. Под действием магнитного поля пленка приобретает свойства туннельного магнитного перехода (Magnetic Tunnel Junction -- MTJ). Если магнитные поля ферромагнитных электродов будут антипараллельны, то сопротивление MTJ окажется высоким, а если электроды намагнитить параллельно друг другу, то сопротивление пленки уменьшится. Электронике остается лишь зафиксировать изменение сопротивления запоминающей ячейки.

Разработками в области MRAM с подачи DARPA (инвестиции) занимаются преимущественно Honeywell (исследования в военной сфере, инициированные в связи с устойчивостью магниторезистивной памяти к электромагнитному импульсу ядерного взрыва) и Motorola, подыскивающая замену традиционным видам энергонезависимой памяти для своих мобильных телефонов. Последняя, начав с презентации микросхемы 256 Kb, выполненной по технологии 0,6 мкм в 2001 г., представила летом 2002 г. первый в мире чип MRAM емкостью 1 Mb. Впрочем, на сегодня это последнее упоминание о данном типе памяти на сайте американской корпорации. Согласно информации, почерпнутой из пресс-релиза, можно сказать, что Motorola уверенно продвигается вперед и даже наметила дату начала массового производства магниторезистивных чипов -- 2004 год.

Flash революция
Рис. 1
В чипах Motorola использовалась схема 1 T -- 1 MTJ, что на языке разработчиков флэш-памяти означает: один управляющий транзистор на один магниторезистивный запоминающий элемент. При чем здесь транзисторы? Беда MRAM в чрезвычайной сложности уменьшения размеров ячейки до 100 нм и менее, а также в высокой вероятности битных ошибок, обусловленных традиционной "пассивно-матричной" схемой выборки ячеек (по аналогии с ЖК-панелями). Стандартные чипы MRAM содержат два перпендикулярных набора электродов, между которыми "зажаты" запоминающие ячейки (рис. 1). Перепрограммирование происходит путем подачи напряжения на два перпендикулярных электрода, на пересечении которых находится требуемая ячейка. Поскольку воздействие оказывается напрямую (посредством магнитного поля проводников), то каждый электрод должен переводить ячейку в "полупереключенное" состояние и обеспечивать половинную от номинальной напряженность магнитного поля. К сожалению, получается, что весь ряд ячеек, оказавшихся на пути электрода, подвергается некоторому воздействию. Точно такая же ситуация складывается при чтении данных. Это приводит к существенной неоднородности намагничивания ячеек чипа. Чтобы свести к минимуму наводки при перепрограммировании, приходится использовать схему с управляющими выборкой транзисторами: по одному на каждую ячейку.

Проект по изучению магниторезистивного эффекта также осуществляет корпорация IBM, ученые которой посвятили немало времени исследованию магнитного туннельного перехода. Оригинальная технология предусматривала применение вместо электродов магнитных материалов с различной коэрцитивной силой (напряженностью внешнего магнитного поля, необходимой для преодоления остаточной индукции магнетика). Следовательно, прикладывая внешнее магнитное поле определенной напряженности (меньшей, чем требуется, чтобы устранить остаточную намагниченность одного из электродов, но достаточной для перемагничивания другого), можно изменить магнитный момент лишь одного электрода. Таким образом, они "переключают" MTJ.

Flash революция
Рис. 2
Но специалисты корпорации пошли дальше: они применили подмагничивание одного из электродов с помощью антиферромагнетика (рис. 2), который, как известно, устойчив к воздействиям внешнего магнитного поля. В Almaden Research Center экспериментировали с различными конфигурациями MTJ и пришли к выводу, что даже нанесение толстого слоя неферромагнитного металла между электродами и туннельным слоем (напыленная и окислившаяся под воздействием плазмы тончайшая пленка алюминия) не влияет на величину эффекта (наблюдалось изменение сопротивления на 29%). Также удалось выяснить, что туннельный магниторезистивный эффект не зависит от площади туннельного соединения. Единственное, что досаждает исследователям, -- это неоднородность окисления пленки алюминия.

Достоинство MRAM -- высокая скорость считывания и перезаписи (несколько десятков нс), свойственная скорее дорогостоящей памяти SRAM, нежели DRAM. Магниторезистивная память, несмотря на больший размер ячейки, потенциально способна обеспечить более высокую, чем традиционная флэш-технология, плотность ячеек за счет отсутствия на чипе генератора подзарядки. Последний необходим для создания высокого напряжения при перепрограммировании флэш-ячеек. Сенсацию вызвала информация о невероятной износоустойчивости MRAM -- стендовые образцы прошли 10 млрд. рабочих циклов, не выявив признаков ухудшения характеристик. Чтобы вывести технологию на рынок, IBM образовала альянс с Infineon -- фирмой, которая все чаще упоминается в связи с новыми технологиями изготовления памяти.

Еще один игрок на потенциальном рынке MRAM (около 50 млрд. долл, по мнению некоторых экспертов) подошел к проблеме с неожиданной стороны, использовав особенности спинтроники (spintronics), основывающейся на спиновых эффектах электронов, точно так же, как в оптике эксплуатируется поляризация фотонов. По словам Дэниела Бейкера (Daniel Baker), исполнительного директора Nonvolatile Electronics (ныне -- NVE Corporation), им удалось создать материал, который они называют GMR, или Giant Magnetoresister, изменяющий свое электрическое сопротивление под воздействием внешнего магнитного поля.

Все детали разработок хранятся в глубокой тайне, но, как говорится в немногочисленных опубликованных в Internet документах, секрет заключается в зависящем от спина рассеянии электронов. В ходе экспериментов, проведенных во Франции еще в 1988 г., удалось выяснить, что процент носителей тока, рассеянных атомами проводящего ферромагнетика, зависит от ориентации спина электронов и направления намагниченности проводника.

Если сконструировать "бутерброд" из тончайшего проводящего немагнитного слоя и двух ферромагнетиков, то при их параллельной намагниченности рассеиваться будут электроны только с одной из двух возможных ориентаций спина. Такое состояние соответствует низкому сопротивлению ячейки. Но придав ферромагнетикам взаимно перпендикулярную ориентацию векторов намагниченности, удастся повысить вероятность рассеяния для всех без исключения электронов. Сопротивление, по теории, должно вырасти в два раза.

Впрочем, за этим что-то кроется, поскольку компания в 2002 г., после нескольких раундов частного финансирования, сумела получить грант от DARPA в размере 365 тыс. долл. Среди партнеров фирмы -- Cypress Semiconductor (уже выпускающая модули MRAM небольшой емкости, совместимые по своим параметрам с SRAM-чипами) и Agilent Technologies.

Flash революция
Рис. 3
Специалисты NVE доказывают, что конструкция ячейки по версии IBM тоже не слишком хороша, так как, начиная с определенного масштаба, поле антиферромагнетика будет влиять на оба магнитных слоя MTJ. Проблема решается с помощью искусственного трехслойного антиферромагнетика: два магнитных кобальтово-железных слоя и рутениевая прослойка между ними (рис. 3). Искусственный ферромагнетик отделен от ячейки тончайшим туннельным барьером, а с другой стороны на него нанесен слой естественного антиферромагнетика.

Преимущество синтетического материала -- в низкой напряженности внешних побочных магнитных полей. Ячейка авторства NVE походит на "BigMac" "на стероидах", сочетающий немагнитные и ферромагнитные проводящие слои. Программируется конструкция пропусканием тока в вертикальном направлении и так же считывается. Толщина немагнитных слоев не превышает 1,5 нм, что позволяет проявиться эффекту подмагничивания антиферромагнетиком, превращающему два ферромагнетика в жестко связанную структуру. Сопротивление "бутерброда" в этой ситуации максимально. Наложением внешнего магнитного поля можно преодолеть силу подмагничивания и переключить ячейку в ферромагнитное состояние с низким сопротивлением.

Flash революция
Рис. 4
Еще один интересный вариант -- вертикальные GMR-ячейки цилиндрической формы (Vertical Ring GMR Cell). Цилиндр образуется из чередующихся колец из мягких и жестких ферромагнетиков (рис. 4), и это означает, что мы можем перемагнитить мягкий ферромагнетик прежде, чем изменит свое состояние жесткий. В целом такая конструкция, несмотря на пониженное сопротивление (в сравнении с обычной ячейкой), обеспечивает лучшую разницу в проводимости между состояниями с параллельно и антипараллельно намагниченными слоями. Кроме того, цилиндрическая форма позволила свести на нет возникновение паразитных магнитных завихрений, затрудняющих проектирование чипов магнитной памяти высокой плотности.

Одна из принципиальных проблем магнитной памяти тесно связана с пресловутым суперпарамагнитным пределом, препятствующим дальнейшему увеличению плотности данных на дисках винчестеров. Энергия тепловых колебаний при определенном размере ячейки вызывает нестабильность ее магнитного состояния. Специалистами NVE был придуман более чем оригинальный способ решения этой проблемы -- они прибегли к правилу: "Клин клином вышибают" -- и решили специально нагревать ячейки перед записью данных. Вся соль такого подхода в достижении антиферромагнетиком точки Нееля. Изменить намагниченность слоя ферромагнетика, который подмагничивается прилегающим к нему антиферромагнетиком, практически нереально в обычных условиях. Но если нагреть антиферромагнетик выше точки Нееля, то он потеряет свои магнитные свойства и переориентация магнитного момента ферромагнитного слоя станет возможной. Затем антиферромагнетик остынет и свяжет ферромагнетик уже в новом состоянии, не позволяя ему "переключиться" под воздействием тепловых колебаний. Компании NVE удалось реализовать идею на практике, и параметры ячейки оказались вполне приемлемыми -- время переключения составило всего 3 нс.


PMC: Programmable Metallization Cell

Flash революция
Рис. 5
Перевести название PMC довольно трудно, что, впрочем, не мешает понять, как работает данная технология. И снова упомянем халькогенидные сплавы, которые на этот раз используются как твердый носитель для инжектированных атомов серебра. Оказывается, что если приложить электрическое поле к ячейке, содержащей такую смесь, то ионизированные атомы серебра будут вести себя подобно ионам в жидком электролите аккумулятора (рис. 5). Серебро начнет мигрировать от одного электрода к другому, выстраивая проводящие цепочки. Как только они сформируются и замкнут электроды, сопротивление ячейки резко упадет. Чтобы разрушить цепочки (операция перепрограммирования), необходимо приложить напряжение другой полярности. Наука, изучающая подобные вещи, называется Solid State Ionics, а технология PMC стала плодом совместной работы группы ученых из Государственного университета Аризоны и компании Axon Technologies.

Процесс формирования цепочки длится менее 10 нс (скорость перезаписи), сопротивление изменяется в 107 раз (рекордный показатель), а максимальное количество циклов перезаписи достигает 1013, что превышает по "стойкости" DRAM. Быстродействие обусловлено необычайно высокой скоростью перемещения ионов серебра -- 1 м/с. В реальной ячейке ион должен преодолеть дистанцию длиной всего 1 нм, что он делает менее чем за 1 нс. Теоретически ячейку PMC можно масштабировать вплоть до 50 нм. Рабочее напряжение перезаписи в зависимости от использованных материалов варьируется от 0,18 до 3,2 В при токах от 1 до 10 мкА.

Замечательной особенностью ячейки является ее саморегуляция во время записи: ионные цепочки начинают выстраиваться, как только напряжение в ней превысит определенный порог, причем процесс носит лавинообразный характер. Но когда проводящие цепочки сформировались, напряжение мгновенно падает, поскольку снижается сопротивление ячейки.

Экспериментируя с полученными устройствами, ученые вскоре пришли к выводу, что технология PMC буквально создана для реализации сложных многоуровневых ячеек (MLC), которые способны запоминать сразу несколько бит. Ведь конечное сопротивление ячейки зависит от силы тока, приложенной во время программирования. Поэтому, варьируя ток записи, можно занести в ячейку до 8 различных значений.

Конструкция ячейки PMC столь компактна, что ее площадь не превышает четырех площадей минимального элемента (minimum feature size) при воспроизведении на литографическом оборудовании, и это сопоставимо с показателями DRAM. Существует реальная возможность создания ячеек размером всего в две площади минимального элемента. При 90-нанометровом процессе и двух битах на ячейку удельная емкость чипа PMC составит 6,2 Gb на один квадратный сантиметр.


DTM: Direct Tunneling Memory

Летом 2003 г. коллектив японских ученых из корпорации Fujitsu опубликовал сенсационную статью, в которой предлагается новое прочтение традиционной флэш-технологии. Ячейка DTM-памяти, как и ее предшественница, содержит транзистор с плавающим затвором. Однако электроны доставляются на плавающий затвор благодаря более тонкому туннельному механизму, нежели инжектирование горячих электронов (Channel Hot Electron -- CHE). Именно из-за относительно высокого напряжения, необходимого для генерации горячих электронов, флэш-память подвергается перекрестным наводкам и происходит преждевременное старение изолирующего слоя плавающего затвора.

Flash революция
Рис. 6
В конструкции ячейки DTM зазор между плавающим затвором и каналом транзистора сведен до минимума -- менее 3 нм. Конечно, если бы никаких иных изменений в схему не было внесено, то электроны просто "просочились" бы через тончайший слой изолятора благодаря квантовому туннельному эффекту. Предотвратить потерю заряда удалось, раздвинув зоны истока и стока так, чтобы они не перекрывались с плавающим затвором. Вдобавок в нижней части плавающего затвора (примыкающей к каналу транзистора) формируется обедненный слой кремния. Фактически это кремний, лишенный присадок, превращающих его в полупроводник n- или p-типа. Таким образом, между плавающим затвором и каналом удается создать потенциальный барьер с энергией 0,7 эВ, препятствующий туннелированию зарядов при нулевом внешнем электрическом потенциале. Чтобы управляющий затвор продолжал играть роль регулировщика движения электронов по каналу транзистора, его пришлось разделить на два отдельных фрагмента, размещенных по обе стороны плавающего затвора (рис. 6).

Столь авангардная конструкция имеет свои преимущества. Новую ячейку можно программировать с помощью импульсов низкого напряжения (по сравнению со стандартным флэш-чипом) и малого тока -- 7 В, 10 пА. Время записи равняется 50 мкс, надежность чрезвычайно высока -- после 109 циклов перезаписи не было замечено никаких признаков ухудшения характеристик экспериментального чипа. Предполагается, что верхний предел надежности будет пролегать где-то в области 1011 циклов (результаты получены при тестировании высокоскоростной DTM-ячейки с толщиной изолятора 1,9 нм).

Несмотря на все свои достоинства, и DTM не идеальна, поскольку является "псевдоэнергонезависимой" памятью: записанная информация довольно быстро "деградирует", так как плавающий затвор в условиях плохой изоляции стремительно теряет электроны. Впрочем, первые эксперименты показывают, что даже спустя 70 дней после записи данные надежно считываются. Такие параметры не позволяют DTM претендовать на место ROM-носителей конфигурационной информации или встроенного ПО, что не помешает новому типу псевдопостоянной памяти освоить рынки носителей класса флэш-карт.


Нанокристаллическая флэш-память

Эта память по своей архитектуре не отличается от обыкновенной флэш-памяти. Единственное, что выделяет ее среди подобных технологий, -- использование микроскопических (5--10 нм) кристаллов кремния в качестве накопителей электронов (плавающего затвора). Слой нанокристаллов формируется между двумя слоями оксида кремния, а затем на верхний слой оксида наносятся транзисторы, управляющие ячейками.

Достоинство нанокристаллов -- в их обособленности, что позволяет свести на нет проблемы с локальными дефектами в слое оксида кремния, преследующие изготовителей флэш-чипов. Потенциальный уровень энергии электронов, захваченных нанокристаллом, делает практически невозможной утечку заряда с плавающего затвора, что открывает путь для дальнейшего снижения толщины изолирующего слоя между плавающим затвором, каналом транзистора и стоком/истоком. При столь тонком изоляторе вместо энергоемкого CHE-процесса для транспортировки носителей заряда на плавающую базу можно прибегнуть к квантовому туннельному эффекту. Это позволяет уменьшить размер ячейки и снизить напряжение при программировании до 3--4 В. В свою очередь, такое изменение напряжения и отказ от метода инжектирования горячих электронов уменьшают "износ" ячейки, которая теперь будет выдерживать миллионы циклов перезаписи (вместо тысяч).

Как ни удивительно, популярность к нанокристаллам пришла "из космоса". Новый тип памяти оказался наиболее подходящим кандидатом на межпланетное путешествие вследствие его отличной устойчивости к радиации. Однако настоящее признание нанокристаллической флэш-памяти еще впереди, поскольку это наиболее перспективная на сегодня технология с точки зрения теоретической максимальной плотности записи данных.

Изучая нанокристаллы, ученые пришли к выводу о возможности локализации в кристалле одного-единственного электрона. Данное свойство является прямым следствием небольших размеров единичного "конденсатора". Малые размеры кристалла не позволяют поляризационным полям экранировать поле единственного носителя заряда. Чтобы поместить дополнительный электрон в нанокристалл, необходимо преодолеть силу кулоновского отталкивания, определяющую напряжение записи. В будущем такая память будет работать по принципу "1 бит -- 1 электрон". Впечатляюще, не правда ли? Но это еще не все: плотность записи удается увеличить в несколько раз за счет мультибитной схемы. Регулируя напряжение записи, можно варьировать количество электронов, которые "помещаются" в нанокристалл.

При столь малых масштабах для того, чтобы единственный электрон (quantum dot) мог влиять на проводимость канала транзистора, его, канал, необходимо сузить до соответствующих размеров. Квантовые транзисторы называются ультраузкими MOSFET (ultra-narrow MOSFET). Первое устройство было создано коллективом под руководством Л. Гуо (L. Guo). Длина канала в нем составляла всего 10 нм, а плавающая база имела размер 7 нм.

И все же до массового производства еще достаточно далеко. Не решены многие фундаментальные вопросы, касающиеся физических свойств нанокристаллов и поведения блокированных электронов. Поэтому не стоит ожидать очень скорого прихода нанокристаллической памяти на рынок флэш-памяти.

Наиболее близки к широкому внедрению MRAM, NROM (MirrorBit) и FRAM (FeRAM), все же остальные претенденты пока не могут похвастаться даже мелкосерийным производством. Проблематичным представляется не столько доводка описанных технологий "до ума", сколько преодоление сопротивления инертного рынка памяти. Мировой бизнес уже сделал ставки -- инвестиции перераспределены между предприятиями, выпускающими реально функционирующие типы чипов. Более того, маркетинговые планы расписаны на десяток лет вперед, и в них вы не найдете упоминаний о Direct Tunneling Memory или Programmable Metallization Cell. Сломить консерватизм и сопротивление нынешних лидеров флэш-рынка будет непросто даже таким китам, как Motorola и IBM, не говоря уже о молодых компаниях, пытающихся сейчас найти себе спонсоров или партнеров.
0 
 

Напечатать Отправить другу

Читайте также

 
 
IDC
Реклама

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