Память с изменением фазового состояния

Для термина «PCM» см. другие значения.

Типы компьютерной памяти

Энергозависимая

DRAM (в том числе DDR SDRAM) SRAM Перспективные T-RAM Z-RAM TTRAM Из истории Память на линиях задержки Запоминающая электронстатическая трубка Запоминающая ЭЛТ

Энергонезависимая

ПЗУ PROM EPROM EEPROM Флеш-память Первые разработки FRAM MRAM PRAM Перспективные CBRAM SONOS RRAM Беговая память (Racetrack) Nano-RAM Millipede Из истории Магнитный барабан Память на магнитных сердечниках Память на магнитной проволоке Пузырьковая память Память на твисторах

Phase-change memory (память на основе фазового перехода) (также известна как PCM, PRAM, PCRAM, Ovonic Unified Memory, Chalcogenide RAM и C-RAM) — новый тип энергонезависимой памяти. PRAM основывается на уникальном поведении халькогенида, которые при нагреве может «переключаться» между двумя состояниями: кристаллическим и аморфным. В последних версиях смогли добавить ещё два дополнительных состояния, эффективно удвоив информационную емкость чипов. PRAM — одна из новых технологий памяти, созданная в попытке превзойти в области энергонезависимой памяти почти универсальную флеш-память, обладающую некоторым количеством практических проблем, решить которые как раз надеялись в PRAM.

Предыстория

Свойства халькогенида с точки зрения потенциальной технологии памяти впервые были исследованы Стэнфордом Овшинским из компании Energy Conversion Devices в 1960-х. В 1970 года в сентябрьском выпуске Гордон Мур — один из основателей Intel — опубликовал статью, касающуюся технологии. Однако, качество материала и энергопотребление не позволили перевести технологию в коммерческое русло. Уже гораздо позже вновь возник интерес к этой технологии, равно как и исследования по ней, тогда как технологии флеш- и DRAM-памяти согласно расчетами должны были столкнуться с проблемами масштабирования при уменьшении размерности процессов литографии чипов.

Кристаллическое и аморфное состояния халькогенида кардинально различаются электрическим сопротивлением, а это лежит в основе хранения информации. Аморфное состояние, обладающее высоким сопротивлением, используется для представления двоичного 0, a кристаллическое состояние, обладающее низким уровнем сопротивления, представляет 1. Халькогенид — это тот же самый материал, что используется в перезаписываемых оптических носителях (как например, CD-RW и DVD-RW). В таких носителях оптические свойства материала поддаются управлению лучше, чем его электрическое сопротивление, так как показатель преломления халькогенида также меняется в зависимости от состояния материала.

Хотя PRAM пока не достиг коммерческого успеха в области бытовой электроники, почти все прототипы используют халькогениды в сочетании с германием, сурьмой и теллуром (GeSbTe), сокращенно именуемыми GST. Стехиометрический состав или коэффициенты элементов Ge:Sb:Te равны 2:2:5. При нагревании GST до высокой температуры (свыше 600 °C) его халькогенидная составляющая теряет свою кристаллическую структуру. При остывании она превращается в аморфную стеклоподобную форму, а его электрическое сопротивление возрастает. При нагревании халькогенида до температуры выше его точки кристаллизации, но ниже температуры плавления, он переходит в кристаллическое состояние с существенно более низким сопротивлением. Время полного перехода к этой фазе зависит от температуры. Более холодные части халькогенида дольше кристаллизуются, а перегретые части могут расплавиться. В общем случае, используемое время кристаллизации составляет порядка 100 нс.^[1] Это несколько дольше, чем у обычной энергозависимой памяти, как например, современные DRAM-чипы, чье время переключения составляет порядка двух наносекунд. Однако, в январе 2006 года корпорация Samsung Electronics запатентовала технологию, свидетельствующую о том, что PRAM может достигать времени переключения в пять наносекунд.

Более поздние исследования Intel и ST Microelectronics позволили контролировать состояние материала более тщательно, позволяя ему превращаться в одно из четырёх состояний: два предыдущих (аморфное и кристаллическое) и два новых (частично кристаллических). Каждое из этих состояний обладает собственными электрическими свойствами, которые могут замеряться при чтении, позволяя одной ячейке хранить два бита, удваивая тем самым плотность памяти.^[2]

Файл:PRAM cell structure.svg

Общая часть двух ячеек PRAM-памяти. Одна ячейка находится в кристаллическом состоянии с низким сопротивлением, а другая — в аморфном с высоким сопротивлением.

PRAM и Flash

Наиболее интересным вопросом является время переключения, затрачиваемое PRAM, и другими заменителями флеш-памяти. Чувствительность PRAM к температуре, возможно, является самой заметной проблемой, решение которой может потребовать изменений в производственном процессе у поставщиков, заинтересованных в технологии.

Флеш-память работает за счет изменения уровня заряда (электронов), хранимого внутри за затвором МОП-транзистора. Затвор создается со специальным «стеком», разработанным для удерживания заряда (или на плавающем затворе, или в «ловушках» изолятора). Наличие заряда внутри затвора изменяет пороговое напряжение транзистора $\,V_{th}$, делая его выше или ниже, означая 1 или 0, к примеру. Изменение состояния битов требует сброса накопленного заряда, что в свою очередь требует относительно высокого напряжения для «вытягивания» электронов из плавающего затвора. Такой скачок напряжения обеспечивается за счет подкачки заряда, что требует некоторого времени для накопления энергии.. Общее время записи для распространенных флеш-устройств составляет порядка 1 мс (для блока данных), что примерно в 100,000 раз выше обычного времени считывания в 10 нс для SRAM, к примеру (на байт).

PRAM может предложить существенно более высокую производительность в областях, требующих быстрой записи, за счет того, что элементы памяти могут быстрее переключаться, а также благодаря тому, что значение отдельных битов можно изменить на 1 или 0 без предварительного стирания целого блока ячеек. Высокая производительность PRAM, которая в тысячу раз быстрее, чем обычные жесткие диски, делает её чрезвычайно интересной с точки зрения энергонезависимой памяти, производительность которой в настоящее время ограничена временем доступа (к памяти).

Кроме того, каждое применение напряжения вызывает необратимую деградацию ячеек флеш-памяти. По мере увеличения размера ячейки, урон от программирования растет из-за требуемой программой подачи напряжения, которое не изменяется в соответствии с размерностью процесса литографии. Большинство флеш-устройств обладают порядка 10,000 — 100,000 циклов записи на сектор, а большинство флеш-контроллеров выполняют распределение нагрузки для распределения операций записи по множеству физических секторов, так чтобы нагрузка на каждый отдельно взятый сектор была небольшой.

PRAM-устройства также деградируют по мере использования, но по другим причинам нежели флеш-память, причем деградация происходит гораздо медленнее. PRAM-устройство может выдержать порядка 100 миллионов циклов записи.^[3] Время жизни чипа PRAM ограничено механизмами, вроде деградации из-за расширения GST при нагревании во время программирования, смещения металлов (и других материалов), а также пока ещё неисследованных факторов.

Части флеш-памяти могут быть запрограммированы до припаивания к плате, или могут даже быть приобретены заранее запрограммированными. Содержимое PRAM, напротив, теряется при высокой температуре, необходимой при припаивании устройства к плате (смотри Пайка оплавлением припоя или Волновая пайка). Это ухудшает устройство с точки зрения экологии производства. Производитель, использующий части PRAM, должен обеспечивать механизм для программирования чипов PRAM уже «в системе», то есть после их припаивания к плате.

Специальные затворы, используемые в флеш-памяти, допускают со временем «утечки» заряда (электронов), вызывая повреждение и потерю данных. Сопротивление в элементах памяти PCM является более стабильным; при нормальной рабочей температуре в 85 °C предполагается хранение данных сроком более 300 лет.^[4]

За счет тщательной настройки величины заряда, хранимого на затворе, флеш-устройства могут хранить несколько (обычно два) бита в каждой физической ячейке. Это эффективно удваивает плотность памяти, снижая её стоимость. PRAM-устройства первоначально хранили лишь один бит на ячейку, но последние достижения Intel позволили обойти эту проблему.

Так как флеш-устройства используют удержание электронов для хранения информации, то они подвержены повреждениям данных из-за радиации, что делает их непригодными использованию в космической и военной областях. PRAM демонстрирует более высокую устойчивость к радиации.

Переключатели ячеек PRAM могут использовать широкий диапазон устройств: диоды, биполярные транзисторы или N-МОП-транзисторы. Применение диода или биполярного транзистора обеспечивает наибольшую величину тока для данного размера ячейки. Однако, проблема с использованием диода возникает из-за паразитных токов в соседних ячейках, равно как и более высоких требований к напряжению. Сопротивление халькогенидов необходимо повысить, что влечет за собой использование диода, так как рабочее напряжение должно значительно превышать 1 В для гарантии достаточного исхода тока от диода. Возможно, наиболее важная значимость использования массива переключателей на основе диодов (особенно это касается больших массивов) заключается в абсолютной склонности к обратной утечке тока из лишних линий битов. В транзисторных массивах только нужные линии битов допускают сток заряда. Различия в стоке заряда колеблются в районе нескольких порядков. Дальнейшая проблема с масштабированием ниже 40 нм является эффектом определённых примесей, так как связь типа p-n значительно снижает область действия.

2000 и после

В августе 2004 года, компания Nanochip лицензировала технологию PRAM для использования в устройствах хранения на основе МЭМС-электродов (Микроэлектромеханических систем). Эти устройства не являются твердотельными. Напротив, довольно небольшая пластина, покрытая халькогенидом, помещается между множеством (тысячи или даже миллионы) электродов, которые могут считывать или записывать на халькогенид. Технология микропереноса (micro-mover) корпорации Hewlett-Packard позволяет позиционировать пластину с точностью до 3 нанометров, за счет чего становится возможной плотность более 1 терабита (128 Гб) на квадратный дюйм, если технология будет усовершенствована. Основная идея заключается в уменьшении количества соединений, распаиваемых на чипе; вместо соединений для каждой ячейки, ячейки помещаются ближе друг к другу, и считываются зарядом, проходящим через МЭМС-электроды, которые и выступают в роли соединений. Подобное решение несет в себе идею, схожую с технологией Millipede корпорации IBM.

В сентябре 2006 года корпорация Samsung анонсировала прототип 512 мегабитного (64 Мб) устройства, использующего в своей основе переключающий диод^[5]. Подобный анонс был довольно неожиданным, а повышенное внимание он привлек благодаря прозрачной высокой плотности. Размер ячеек прототипа составлял лишь 46.7 нм, что было менее, чем у коммерческих флеш-устройств, доступных на тот момент. Хотя и были доступны флеш-устройства с более высокой емкостью (64 Гбит, 8 Гб, только появились на рынке), остальные технологии, соревнующиеся в стремлении заменить флеш-технологию, обладали более низкой плотностью (т.е. бОльшими размерами ячеек). Например, при производстве MRAM- и FRAM-памяти удалось достичь 4 Мбит. Высокая плотность прототипов PRAM-памяти от Samsung предполагала гарантированную жизнь как конкурента флеш-памяти, не ограничиваясь нишевой ролью как другие технологии. PRAM выглядит чрезвычайно привлекательно в качестве потенциальной замены для флеш-памяти типа NOR, у которой емкость устройства обычно отставала от емкости флеш-памяти типа NAND. (новейшие разработки в области емкости NAND-памяти преодолели рубеж в 512 Мбит некоторое время назад.) Флеш-память типа NOR предлагает схожую плотность с показателями PRAM-прототипов от Samsung, причем уже предлагает битовую адресуемость (в отличе от NAND, у которой доступ к памяти осуществляется через "банки", состоящих из множества байт).

После анонса от Samsung последовало совместное заявление от Intel и STMicroelectronics, продемонстрировавших собственные PCM-устройства в рамках Intel Developer Forum, проходившего в октябре 2006 года^[6]. Они показали 128 Мбитный образец, которые недавно начали производиться на исследовательской фабрике STMicroelectronics в Аграте, Италия. Intel утверждала, что устройства были лишь демонстрационными экземплярами, но они ожидали начала производства готовых образцов в течение нескольких месяцев, а в течение нескольких лет - и широкое коммерческое производство. Intel судя по их заявлениям нацеливала свои PCM-продукты на ту же область рынка, что и Samsung.

PCM - весьма многообещающая технология с точки зрения военной и аэрокосмической областей, где радиация делает бессмысленным использование стандартной энергонезависимой памяти как, например, флеш-память. PCM-устройства были представлены военной корпорацией BAE Systems, получившие название C-RAM, причем было заявлено о великолепной стойкости к радиационному излучению (Упрочнение путём облучения) и неподверженности к latchup-эффекту. Более того, BAE заявляла о выдерживании порядка 10⁸ циклов записи, что делает эту разработку претендентом на замену PROM- и EEPROM-чипов в космических системах.

В феврале 2008 года инженеры Intel совместно с STMicroelectronics продемонстрировали первый прототип многоуровневого (MLC) PCM-массива. Прототип мог хранить два логических бита на физическую ячейку, то есть, 256 Мбит эффективной памяти хранились в 128 Мбит физической. Это означает, что вместо обычных двух состояний - полностью аморфное или полностью кристаллическое — добавляются ещё два дополнительных промежуточных состояния, представляющих различные степени частичной кристаллизации, позволяя дважды сохранять массивы битов в одной физической области на чипе.^[2]

Также в феврале 2008 года Intel и STMicroelectronics начали поставки прототипных образцов их первого PCM-продукта, доступного заказчикам. Продукт, выполненный по 90 нм процессу, обладавший 128 Мбит (16Мб), получил название Альверстоун (Alverstone).^[7]

Проблемы

Наибольшей проблемой памяти на основе фазового перехода является требование плотности программируемого заряда (>10⁷ A/см², для сравнения у обычных транзисторов или диодов равно 10⁵−10⁶ A/см²) в активной фазе. Благодаря этому область воздействия становится значительно меньше, чем у управляющего транзистора. Из-за данного различия структуры памяти на основе фазового перехода приходится упаковывать более горячий и склонный к произвольному фазовому переходу материал в литографические размеры. Из-за этого стоимость процесса по цене проигрывает в сравнении с флеш-памятью.

Контакт между горячей областью фазового перехода и соседним диэлектриком - ещё один из нерешенных фундаментальных вопросов. Диэлектрик может допустить утечку заряда при повышении температуры, или может отрываться от материала с фазовым переходом при расширении на различных этапах.

Память с фазовым переходом весьма восприимчива к произвольному фазовому переходу. Это происходит в основном из-за того факта, что фазовый переход - температурно управляемый процесс по сравнению с электронным. Термические условия, допускающие быструю кристаллизацию, не должны быть близки к условиям сохранения устойчивого состояния, например, комнатной температуре. В противном случае, удерживание данных не будет сколько-нибудь продолжительным. При соответствующей энергии активации кристаллизации возможно достичь быстрой кристаллизации путем задания соответствующих условий, в то время как при обычных условиях будет происходит очень медленная кристаллизация.

Вероятно, наибольшей проблемой памяти с изменением фазового состояния является постепенное изменение сопротивления и порогового напряжения с течением времени.^[8] Сопротивление аморфного состояния медленно возрастает по степенному закону(~t^0.1). Это несколько ограничивает возможность использования многоуровневых ячеек памяти(в дальнейшем нижележащее промежуточное состояние будет путаться с вышележащим промежуточным состоянием) и может подвергать опасности стандартную двухфазовую операцию, в случае если пороговое напряжение превысит предусмотренное значение.

Хронология

• Сентябрь 1966: Стэнфорд Овшинский получил первый патент, касающийся технологии фазового перехода
• Июнь 1969: Патент под номером 3,448,302, выданный Овшинскому, ознаменовал появление первой устойчиво функционирующей памяти на основе фазового перехода
• Сентябрь 1970: Гордон Мур публикует свои исследования в журнале Electronics
• Июнь 1999: Ovonyx присоединяется к рискованному мероприятию по созданию коммерческой PRAM-технологии
• Ноябрь 1999: Lockheed Martin начинает работу совместно с Ovonyx над PRAM для применения в космической отрасли
• Февраль 2000: Intel вкладывает средства в Ovonyx, лицензирует технологию
• Декабрь 2000: ST Microelectronics лицензирует PRAM-технологию у Ovonyx
• Март 2002: Macronix получает патент на бестранзисторную PRAM
• Июль 2003: Samsung начинает работы над PRAM-технологией
• с 2003 по 2005: Патенты, связанные с PRAM, получают Toshiba, Hitachi, Macronix, Renesas, Elpida, Sony, Matsushita, Mitsubishi, Infineon и другие компании
• Август 2004: Nanochip лицензирует PRAM-технологию у Ovonyx для использования в устройствах хранения на базе МЭМС
• Август 2004: Samsung демонстрирует работающий 64 Мбитный PRAM-массив
• Февраль 2005: Elpida лицензирует PRAM-технологию у Ovonyx
• Сентябрь 2005: Samsung демонстрирует работающий 256 Мбитный PRAM-массив, обращая внимание на программируемый заряд в 400µA
• Октябрь 2005: Intel увеличивает инвестиции в Ovonyx
• Декабрь 2005; Hitachi и Renesas демонстрируют 1.5-вольтную PRAM-память с программируемый зарядом в 100µA
• Декабрь 2005: Samsung лицензирует PRAM-технологию у Ovonyx
• Июль 2006: BAE Systems начинает продажи первого коммерческого PRAM-чипа, радиационно упрочненной C-RAM 512Kx8
• Сентябрь 2006: Samsung анонсирует 512 Мбитное PRAM-устройство
• Октябрь 2006: Intel и STMicroelectronics демонстрируют 128 Мбитный PRAM-чип
• Декабрь 2006: IBM Research Labs демонстрирует прототип 3, выполненный по технологии 20 нанометров^[9]
• Январь 2007: Qimonda лицензирует PRAM-технологию у Ovonyx
• Апрель 2007: Директор по технологиям Intel Джастин Рэттнер уполномочен провести первую публичную демонстрацию разработок компании в области PRAM-технологии ^[10]
• Октябрь 2007: Hynix начинает заниматься PRAM путем лицензирования технологии у Ovonyx
• Февраль 2008: Intel и STMicroelectronics анонсируют четырёхпозиционную (т.е. обладающую четырьмя состояниями) MLC PRAM^[2] и начинает поставки образцов заказчикам^[7].
• Декабрь 2008: Numonyx анонсирует массовое производство 128 Мбитных PCM-устройств для определенных заказчиков.
• Июнь 2009: RAM на основе фазового перехода производства Samsung выходит в массовое производство, стартовавшее в Июне^[11]
• Сентябрь 2009: Samsung анонсировало начало массового производства 512 Мбитных PRAM-устройств ^[12]
• Октябрь 2009: Intel и Numonyx объявляют о нахождении ими способа размещения массивов PCM памяти в несколько слоёв на одной подложке^[13]
• Декабрь 2009: Numonyx анонсировала устройство 1Гб, изготовленное по 45-нм технологии.
• Апрель 2010: Numonyx выпустила серию устройство Omneo (P8P and P5Q), произведенных по 90-нм технологии.
• Апрель 2010: Samsung выпустила устройство объёмом 512 мегабит, изготовленное по 65-нм процессу
• Февраль 2011: Samsung представила устройство объёмом 1 гигабит, изготовленное по 58-нм процессу, с рабочим напряжением 1.8В

Примечания

1. ↑ H. Horii et al.,2003 Symposium on VLSI Technology, 177—178 (2003).
2. ↑ ^{1 2 3} A Memory Breakthrough, Kate Greene, Technology Review, 04-Feb-2008
3. ↑ Intel to Sample Phase Change Memory This Year
4. ↑ Pirovano, A. Redaelli, A. Pellizzer, F. Ottogalli, F. Tosi, M. Ielmini, D. Lacaita, A.L. Bez, R. Reliability study of phase-change nonvolatile memories. IEEE Transactions on Device and Materials Reliability. Sept. 2004, vol 4, issue 3, pp. 422—427. ISSN 1530-4388.
5. ↑ SAMSUNG Introduces the Next Generation of Nonvolatile Memory — PRAM
6. ↑ Intel Previews Potential Replacement for Flash
7. ↑ ^{1 2} Intel, STMicroelectronics Deliver Industry's First Phase Change Memory Prototypes. Numonyx (6 февраля 2008).(недоступная ссылка — история) Проверено 15 августа 2008.
8. ↑ D. Ielmini et al., IEEE Trans. Electron Dev. vol. 54, 308—315 (2007).
9. ↑ Phase Change to Replace Flash?
10. ↑ Techworld.com — Intel set for first public demo of PRAM
11. ↑ Engadget Samsung PRAM chips go into mass production
12. ↑ Samsung moves phase-change memory to production
13. ↑ Intel and Numonyx Achieve Research Milestone with Stacked, Cross Point Phase Change Memory Technology

Ссылки

Ресурсы и сайты

• Официальный сайт Numonyx  (англ.)
• Официальный сайт Ovonyx, Inc.  (англ.)
• Официальный сайт Energy Conversion Devices, Inc.  (англ.)
• Архив новостей, связанных с PRAM, на сайте 3Dnews.ru  (рус.)

Новости и пресс-релизы

• Hitachi and Renesas Technology Develop Low-Power MOS Phase-Change Memory Cells for On-Chip Memory of Microcontrollers  (англ.)
• HP's probe storage program  (англ.)
• BAE SYSTEMS Develops High-Density, Radiation-Hardened C-RAM Semiconductor  (англ.)
• Коллекция брошюр по C-RAM на официальном сайте BAE Systems  (англ.)
• Samsung ведёт разработки нового вида памяти  (рус.)