Что идет на смену флэш-памяти

В течение двух десятилетий флэш-память доминировала в качестве энергонезависимой, и по сей день ее позиции остаются достаточно прочны благодаря многочисленным приложениям, как то мобильные телефоны, карты памяти, цифровые фотокамеры, КПК и прочие портативные цифровые устройства. Однако даже самые ярые ее защитники вынуждены согласиться с тем, что ресурс уменьшения размеров ячейки, являющийся основным методом повышения емкости и быстродействия, практически исчерпан.

Стэнфорд Овшински, пионер в области исследования материалов с изменяемой фазой. В частности, еще в начале 70-х он изобрел и создал оптическое устройство хранения, емкостью 4 GB

За десять лет, с 1990 г. по 2000 г., индивидуальная ячейка флэш-памяти уменьшилась в 30 раз. Производители считают, что к 2010 г. существующая технология будет уже неспособна обеспечить дальнейшее существенное ее уменьшение.

Последние объявления о прогрессе в области материалов с изменяемой фазой (Phase Change Material – PCM) и электронной памяти на ее базе (PCRAM), а также поддержка таких лидеров индустрии, как IBM, Infineon, Intel, Samsung, STMicroelectronics, позволяют сделать весьма правдоподобное предположение о будущем наследнике флэш-памяти.

К материалам с изменяемой фазой относится ряд сплавов, которые меняют свои физические свойства в зависимости от того, в какой фазе они находятся – аморфной или кристаллической. Сегодня они широко используются в оптических устройствах хранения, таких как перезаписываемые CD и DVD. Здесь аморфная и кристаллическая фазы применяемого материала имеют разные коэффициенты отражения, а переходы между фазами осуществляются за счет нагревания до необходимой температуры пятна записи с помощью лазерного луча.

Пионером в области создания и исследования таких материалов является Стэнфорд Овшински (Stanford Ovshinsky), который начал заниматься ими в середине 50-х годов прошлого столетия. Он изобрел оптическое устройство хранения в начале 70-х, и компания Energy Conversion Devices построила первый такой аппарат емкостью 4 GB в 1974 г., опередивший свое время как по объему, так и по технологии производства. Он использовал охлаждаемый водой аргонный ионный лазер и размещался в ящике 2×2×1,5 м (для сравнения, современные DVD такой же емкости имеют размеры 2×14×20 см).

PCM используются также и для создания полупроводниковой памяти, которая в англоязычной литературе чаще называется ovonic memory. Англо-русский словарь дает перевод этого термина как память на аморфных полупроводниках, или память на элементах Овшинского. Само слово ovonic определяется как комбинация слов Ovshinsky и electronics и закрепляет приоритет изобретателя в этой области.

В действительности первым коммерческим продуктом была именно память на элементах Овшинского. Хотя она продавалась и применялась в электронных системах еще в 70-х, заметный выход на рынок устройств, известных как Ovonic Universal Memory (OUM), состоялся сравнительно недавно.

Технологии производства оптической и электронной памяти различны. Если при изготовлении оптического диска на субстрате предварительно создается структура, несущая форматную информацию, вслед за чем следует нанесение защитного слоя для формирования оптического стека, то полупроводниковая память формируется на гладкой кремниевой подложке, и последовательные слои наносят индивидуально для образования электрических цепей.

Основным материалом для OUM служит сплав германия, сурьмы и теллура (GeSbTe) – так называемый сплав «225», или GST. Фазовые переходы происходят в процессе нагревания и остывания материала. При расплавлении кристаллическая структура нарушается, и быстрое остывание ниже температуры стеклования фиксирует материал в аморфной фазе. Это состояние характеризуется высоким сопротивлением и, как следствие, низкой проводимостью. Аморфная фаза стабильна в диапазоне комнатных температур, но скорость образования центров кристаллизации и самой кристаллизации растет по мере приближения к температуре плавления.

Поперечное сечение базовой структуры экспериментального образца PCRAM 4 Mb от Intel-Ovonyx

Для того чтобы переключить элемент памяти в проводящее состояние, материал нагревается до температуры между точками стеклования и плавления (в твердотельной ячейке памяти лазерный луч заменяется электрическим током). Результатом является быстрая кристаллизация – кристаллическая решетка формируется буквально в течение нескольких наносекунд. Скорость кристаллизации сильно зависит от состава халькогенидного сплава и может различаться на несколько порядков для разных материалов. Изменения в электрических свойствах таких сплавов выражены еще ярче, и электрическая проводимость в зависимости от фазы может отличаться на шесть порядков.

Создание электронной памяти из этих материалов требует массива транзисторов, при этом каждый из них должен быть способен доставить необходимое количество энергии, чтобы расплавить халькогенидный сплав в ячейке памяти. Очевидно также, что жизненно важной является термическая изоляция между элементами памяти, металлизацией устройства и подложкой.

Рисунок схематически представляет сечение ячейки памяти OUM – образца для тестирования объемом 4 Mb, выполненного по технологическим нормам 180 нм. Процесс изготовления OUM является аналогичным таковому для КМОП. Здесь также имеются кремниевая подложка и МОП-структура с халькогенидным слоем. Рассмотрим вкратце, какие особенности PCRAM делают ее претендентом на замену флэш-памяти.

Флэш-память работает на основе изменяющегося заряда (электронов), накапливаемого внутри затвора МОП-транзистора. Затвор имеет специальный «стек», спроектированный для захвата зарядов (либо на плавающий затвор, либо в изолированные «ловушки»). Присутствие заряда внутри затвора сдвигает пороговое напряжение транзистора выше или ниже, что соответствует 0 или 1, к примеру. Изменение состояния бита требует удаления накопленного заряда, для чего необходимо приложить относительно большое напряжение. Для обычных флэш-устройств время записи составляет порядка миллисекунды (для блока данных), что в 100 тыс. раз больше, чем 10 нс, требующихся для чтения байта. Поэтому PCRAM предоставит более высокую производительность приложениям, где важна скорость записи, поскольку время переключения между состояниями бита занимает несколько наносекунд, при этом не требуется предварительного стирания блока или ячейки.

Напряжение, прикладываемое к ячейке при перезаписи, вызывает ее деградацию, так что большинство флэш-устройств допускают от 10 тыс. до 100 тыс. перезаписей в секторе. При уменьшении размеров ячейки скорость ее разрушения от операций перезаписи растет, поскольку значение напряжения не масштабируется пропорционально с литографическим процессом. Это, в частности, является причиной сокращения срока эксплуатации многих популярных портативных плееров, базирующихся на флэш-памяти.

Механизм деградации PCRAM совершенно другой. Само по себе изменение фаз никак не влияет на структуру вещества: можно сколько угодно раз замораживать и размораживать воду – она от этого не перестанет быть водой. Время жизни PCRAM ограничивается процессами теплового расширения GST, диффузией металла и другими до сих пор неизвестными механизмами. В общем, PCRAM-устройство может выдержать до 100 млн циклов записи.

Далее, во флэш-памяти существует такое явление, как утечка заряда (электронов) с затворов, что вызывает искажение или потерю данных. Сопротивление элементов памяти PCRAM более стабильно, позволяя данным сохраняться вплоть до десяти лет даже в условиях повышенной температуры.

Поскольку флэш-устройства для хранения данных используют заряд, то они подвержены действию радиации, что делает невозможным их использование для космических и военных приложений. PCRAM демонстрирует большую устойчивость к радиации.

Как видно, память с изменяемой фазой имеет много привлекательных свойств и вполне реально может стать не только в качестве заменой флэш-памяти, но и претендовать на роль универсальной.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365