Paměť pro fázovou změnu - Phase-change memory

Paměť s fázovou změnou (známá také jako PCM , PCME , PRAM , PCRAM , OUM ( ovonická unifikovaná paměť ) a C-RAM nebo CRAM ( chalkogenidová RAM )) je typ energeticky nezávislé paměti s náhodným přístupem . PRAM využívají jedinečné chování chalkogenidového skla . Ve starší generaci PCM se teplo produkované průchodem elektrického proudu topným prvkem obecně vyrobeným z nitridu titanu používalo buď k rychlému zahřátí a uhasení skla, což ho učinilo amorfním , nebo k jeho udržení v teplotním rozmezí krystalizace pro nějakou dobu, čímž se přepne do krystalického stavu. PCM má také schopnost dosáhnout řady odlišných zprostředkujících stavů, čímž má schopnost držet více bitů v jedné buňce, ale potíže s programováním buněk tímto způsobem zabránily implementaci těchto schopností v jiných technologiích (zejména flash paměť ) se stejnou schopností.

Novější technologie PCM byla trendy ve dvou různých směrech. Jedna skupina zaměřuje hodně výzkumu na pokus o nalezení životaschopných materiálových alternativ k Ge 2 Sb 2 Te 5 (GST) se smíšeným úspěchem. Další skupina vyvinula použití superlattice GeTe – Sb 2 Te 3 k dosažení netermálních fázových změn pouhou změnou stavu koordinace atomů germania pomocí laserového pulzu. Tato nová mezipovrchová paměť pro fázovou změnu (IPCM) má mnoho úspěchů a nadále je místem mnoha aktivních výzkumů.

Leon Chua tvrdí, že všechna dvouterminální energeticky nezávislá zařízení, včetně PCM, by měla být považována za memristory . Stan Williams z laboratoří HP také tvrdil, že PCM by mělo být považováno za memristora . Tato terminologie však byla zpochybněna a potenciální použitelnost memristorové teorie na jakékoli fyzicky realizovatelné zařízení je otázkou.

Pozadí

V 60. letech Stanford R. Ovshinsky z Energy Conversion Devices nejprve prozkoumal vlastnosti chalkogenidových brýlí jako potenciální paměťové technologie. V roce 1969 publikoval Charles Sie na Iowské státní univerzitě disertační práci, která popisovala a demonstrovala proveditelnost paměťového zařízení s fázovou změnou integrací chalkogenidového filmu s diodovým polem. Kinematografická studie v roce 1970 prokázala, že mechanismus paměti fázové změny v chalkogenidovém skle zahrnuje růst krystalických vláken indukovaný elektrickým polem. V září 1970 vydání elektroniky , Gordon Moore , spoluzakladatel společnosti Intel , publikoval článek o technologii. Problémy s kvalitou materiálu a spotřebou energie však zabránily komercializaci technologie. V poslední době se obnovil zájem a výzkum, protože se očekává, že technologie paměti flash a DRAM narazí na potíže se škálováním, protože se zmenšuje čipová litografie .

Krystalické a amorfní stavy chalkogenidového skla mají dramaticky odlišné hodnoty elektrického odporu . Amorfní stav s vysokou odolností představuje binární 0, zatímco krystalický stav s nízkým odporem představuje 1. Chalkogenid je stejný materiál používaný v přepisovatelných optických médiích (například CD-RW a DVD-RW ). V těchto případech se spíše manipuluje s optickými vlastnostmi materiálu než s jeho elektrickým odporem, protože index lomu chalkogenidu se také mění se stavem materiálu.

Ačkoli PRAM dosud nedosáhla fáze komercializace spotřebních elektronických zařízení, téměř všechna prototypová zařízení využívají chalkogenidovou slitinu germania , antimonu a telluru ( GeSbTe ) zvanou GST. Stechiometrie nebo Ge: Sb: poměr Te prvek je 2: 2: 5. Když se GST zahřeje na vysokou teplotu (nad 600 ° C), ztratí se jeho krystalinita chalkogenidu. Po ochlazení se zmrazí do stavu podobného amorfnímu sklu a jeho elektrický odpor je vysoký. Zahřátím chalkogenidu na teplotu nad jeho teplotou krystalizace , ale pod teplotou tání , se transformuje do krystalického stavu s mnohem nižším odporem. Čas dokončení tohoto fázového přechodu je závislý na teplotě. Chladnější části chalkogenidu krystalizují déle a přehřáté části mohou být přetaveny. Běžně se používá časová stupnice krystalizace řádově 100 ns. To je déle než u běžných energeticky závislých paměťových zařízení, jako jsou moderní DRAM , která mají dobu přepínání řádově dvě nanosekundy. Patentová přihláška společnosti Samsung Electronics z ledna 2006 však naznačuje, že PRAM může dosáhnout spínacích časů již za pět nanosekund.

Novější pokrok propagovaný společnostmi Intel a ST Microelectronics umožňuje pečlivější kontrolu stavu materiálu a umožňuje jeho transformaci do jednoho ze čtyř odlišných stavů; předchozí amorfní nebo krystalické stavy spolu se dvěma novými částečně krystalickými stavy. Každý z těchto stavů má různé elektrické vlastnosti, které lze měřit během čtení, což umožňuje jedné buňce představovat dva bity, což zdvojnásobuje hustotu paměti.

Průřez dvěma paměťovými buňkami PRAM. Jedna buňka je v krystalickém stavu s nízkým odporem, druhá v amorfním stavu s vysokou odolností.

PRAM vs. Flash

Nejpřitažlivější je doba přepínání a vlastní škálovatelnost PRAM. Teplotní citlivost PRAM je možná jeho nejpozoruhodnější nevýhodou, která může vyžadovat změny ve výrobním procesu výrobců zahrnujících tuto technologii.

Flash paměť funguje modulací náboje ( elektronů ) uloženého v hradle tranzistoru MOS . Brána je konstruována se speciálním „komínem“ určeným k zachycování nábojů (buď na plovoucí bráně, nebo v izolačních „lapačích“ ). Přítomnost náboje v bráně posune prahové napětí tranzistoru , vyšší nebo nižší, například na 1 až 0. Změna stavu bitu vyžaduje odstranění nahromaděného náboje, který vyžaduje relativně velké napětí, aby „vysál“ elektrony z plovoucí brány. Tento výbuch napětí zajišťuje nabíjecí čerpadlo , které nějakou dobu trvá, než získá energii. Obecné doby zápisu pro běžná zařízení Flash jsou řádově 100 μs (pro blok dat), což je přibližně 10 000krát obvyklá doba čtení 10 ns, například pro SRAM (pro bajt).

PRAM může nabídnout mnohem vyšší výkon v aplikacích, kde je důležité rychlé psaní, a to jednak proto, že lze rychleji přepínat paměťový prvek, jednak proto, že lze jednotlivé bity změnit na 1 nebo 0, aniž byste museli nejprve vymazat celý blok buněk. Vysoký výkon PRAM, tisíckrát rychlejší než běžné pevné disky, je obzvláště zajímavý v energeticky nezávislých rolích paměti, které jsou aktuálně výkonově omezeny časováním přístupu do paměti.

Navíc s bleskem každý výbuch napětí v buňce způsobuje degradaci. Jak se velikost buněk zmenšuje, poškození z programování se zhoršuje, protože napětí potřebné k programování zařízení se nemění s litografií. Většina zařízení flash je aktuálně hodnocena pouze na 5 000 zápisů na sektor a mnoho řadičů flash provádí vyrovnání opotřebení, aby rozložilo zápisy na mnoho fyzických sektorů.

Zařízení PRAM se s použitím také degradují, a to z jiných důvodů než Flash, ale degradují se mnohem pomaleji. Zařízení PRAM může vydržet přibližně 100 milionů cyklů zápisu. Životnost PRAM je omezena mechanismy, jako je degradace v důsledku tepelné roztažnosti GST během programování, migrace kovů (a dalších materiálů) a další mechanismy dosud neznámé.

Flash díly lze naprogramovat před připájením na desku nebo dokonce zakoupit předem naprogramované. Obsah PRAM se však ztrácí kvůli vysokým teplotám potřebným pro pájení zařízení na desku (viz pájení přetavením nebo pájení vlnou ). To ještě zhoršuje nedávná snaha o bezolovnatou výrobu vyžadující vyšší teploty pájení. Výrobce používající díly PRAM musí poskytnout mechanismus pro programování PRAM „v systému“ poté, co byl na místo připájen.

Speciální brány používané v paměti Flash časem „propouštějí“ náboje (elektrony), což způsobuje poškození a ztrátu dat. Odpor paměťového prvku v PRAM je stabilnější; při normální pracovní teplotě 85 ° C se předpokládá uchování dat po dobu 300 let.

Pečlivou modulací množství náboje uloženého na bráně mohou zařízení Flash ukládat více (obvykle dva) bitů v každé fyzické buňce. Ve skutečnosti to zdvojnásobuje hustotu paměti a snižuje náklady. Zařízení PRAM původně ukládala v každé buňce pouze jeden bit, ale nedávné pokroky společnosti Intel tento problém odstranily.

Protože zařízení Flash zachycují elektrony k ukládání informací, jsou náchylná k poškození dat z záření, což je činí nevhodnými pro mnoho vesmírných a vojenských aplikací. PRAM vykazuje vyšší odolnost proti záření.

Selektory buněk PRAM mohou používat různá zařízení: diody , BJT a MOSFET . Použití diody nebo BJT poskytuje největší množství proudu pro danou velikost buňky. Obavy z používání diody však pramení z parazitních proudů do sousedních článků a také z vyššího požadavku na napětí, což vede k vyšší spotřebě energie. Odpor chalkogenidu, který je nutně větším odporem než dioda, znamená, že provozní napětí musí překročit 1 V s velkou rezervou, aby byl zaručen dostatečný dopředný předpěťový proud z diody. Snad nejzávažnějším důsledkem použití pole vybraného diodou, zejména pro velká pole, je celkový únikový proud s opačným zkreslením z nevybraných bitových linek. V polích vybraných tranzistorem přispívají svodový proud zpětného zkreslení pouze vybrané bitové linky. Rozdíl ve svodovém proudu je několik řádů. Dalším problémem se škálováním pod 40 nm je účinek diskrétních příměsí, jak se šířka pn spojení zmenšuje. Selektory na bázi tenkého filmu umožňují vyšší hustoty a využívají oblast buněk <4 F 2 skládáním paměťových vrstev vodorovně nebo svisle. Izolační schopnosti jsou často horší než použití tranzistorů, pokud poměr zapnutí / vypnutí pro selektor není dostatečný, což omezuje schopnost provozovat v této architektuře velmi velká pole. Přepínač prahové hodnoty na bázi chalkogenidu byl prokázán jako životaschopný selektor pro pole PCM s vysokou hustotou

2000 a později

V srpnu 2004 společnost Nanochip licencovala technologii PRAM pro použití v paměťových zařízeních sond MEMS (mikroelektromechanické systémy). Tato zařízení nejsou v pevném stavu. Místo toho je velmi malý talíř potažený chalkogenidem tažen pod mnoho (tisíce nebo dokonce miliony) elektrických sond, které dokáží číst a zapisovat chalkogenid. Technologie micro-mover společnosti Hewlett-Packard dokáže přesně umístit talíř na 3 nm, takže pokud bude možné tuto technologii zdokonalit, budou možné hustoty více než 1 Tbit (125 GB) na čtvereční palec. Základní myšlenkou je snížit množství kabeláže potřebné na čipu; namísto zapojení každé buňky jsou buňky umístěny blíže k sobě a čteny proudem procházejícím sondami MEMS, které fungují jako dráty. Tento přístup se velmi podobá technologii Millipede od IBM .

Samsung 46,7 nm buňka

V září 2006 společnost Samsung oznámila prototyp zařízení s 512 Mb (64 MB) pomocí diodových spínačů. Oznámení bylo překvapením a bylo pozoruhodné zejména svou poměrně vysokou hustotou. Prototyp představoval velikost buňky pouze 46,7 nm, menší než v té době dostupná komerční zařízení Flash. Přestože byla k dispozici zařízení Flash s vyšší kapacitou (64 Gb nebo 8 GB, teprve přichází na trh), jiné technologie konkurující s nahrazením Flash obecně nabízely nižší hustoty (větší velikosti buněk). Jediné produkční zařízení MRAM a FeRAM jsou například pouze 4 Mb. Vysoká hustota prototypového zařízení PRAM společnosti Samsung naznačuje, že by mohlo být životaschopným konkurentem Flash, a neomezuje se pouze na specializované role jako ostatní zařízení. PRAM se jeví jako zvláště atraktivní jako potenciální náhrada za NOR Flash, kde kapacity zařízení obvykle zaostávají za kapacitami zařízení NAND Flash. (Nejmodernější kapacity na NAND před časem prošly 512 Mb.) NOR Flash nabízí podobné hustoty jako prototyp PRAM společnosti Samsung a již nabízí bitovou adresovatelnost (na rozdíl od NAND, kde je paměť přístupná v bankách mnoha bytů najednou).

Zařízení Intel PRAM

Po oznámení společnosti Samsung následoval jeden od společností Intel a STMicroelectronics , kteří na říjnovém fóru Intel Developer Forum 2006 předvedli svá vlastní zařízení PRAM . Ukázali 128 Mb část, která byla zahájena ve výzkumné laboratoři společnosti STMicroelectronics v italském Agrate. Intel uvedl, že zařízení byla přísně proof-of-concept.

Zařízení BAE

PRAM je také slibnou technologií ve vojenském a leteckém a kosmickém průmyslu, kde radiační účinky znemožňují použití standardních energeticky nezávislých pamětí, jako je Flash. Paměťová zařízení PRAM zavedla společnost BAE Systems , označovaná jako C-RAM, která požaduje vynikající radiační toleranci ( rad-hard ) a odolnost proti latchup . Kromě toho BAE tvrdí, že cyklus zápisu je výdrž 10 8 , což jí umožní uchazeče o nahrazení PROM a EEPROM ve vesmírných systémech.

Víceúrovňová buňka

V únoru 2008 představily společnosti Intel a STMicroelectronics první víceúrovňový ( MLC ) prototyp pole PRAM. Prototyp uložil dva logické bity v každé fyzické buňce, ve skutečnosti 256 Mb paměti uložené ve fyzickém poli 128 Mb. To znamená, že namísto normálních dvou stavů - zcela amorfního a plně krystalického - představují další dva odlišné mezilehlé stavy různé stupně částečné krystalizace, což umožňuje uložit do stejné fyzické oblasti dvakrát tolik bitů. V červnu 2011 společnost IBM oznámila, že vytvořila stabilní a spolehlivou vícebitovou paměť pro fázové změny s vysokým výkonem a stabilitou.

90 nm zařízení Intel

Také v únoru 2008 dodaly společnosti Intel a STMicroelectronics zákazníkům prototypy vzorků svého prvního produktu PRAM. Produkt s 90 nm a 128 Mb (16 MB) se jmenoval Alverstone.

V červnu 2009 společnosti Samsung a Numonyx BV oznámily společné úsilí při vývoji hardwarových produktů přizpůsobených trhu PRAM.

V dubnu 2010 společnost Numonyx oznámila řadu Omneo 128-Mbit NOR-kompatibilních pamětí fázových změn. Společnost Samsung oznámila do podzimu 2010 dodávku 512 Mb RAM s fázovou změnou (PRAM) v balíčku s více čipy (MCP) pro použití v mobilních telefonech.

Hliník / antimon

Paměťová zařízení s fázovou změnou na bázi germania, antimonu a telluru představují výrobní výzvy, protože leptání a leštění materiálu chalkogeny může změnit složení materiálu. Materiály na bázi Al a Sb jsou tepelně stabilnější než Ge-Sb-Te. Al 50 Sb 50 má tři odlišné úrovně odporu, které nabízejí potenciál pro uložení tří bitů dat ve dvou buňkách na rozdíl od dvou (devět možných stavů pro pár buněk, použití osmi z těchto stavů poskytuje log 2  8 = 3 bity).

Výzvy

Největší výzvou pro paměť se změnou fáze je požadavek vysoké programování proudové hustoty (> 10 7  A / cm?, Ve srovnání s 10 5 ... 10 6  A / cm? Pro typické tranzistoru a diody). Kontakt mezi oblastí s horkou fázovou změnou a sousedním dielektrikem je dalším zásadním problémem. Dielektrikum může začít unikat proud při vyšší teplotě, nebo může ztratit adhezi, když expanduje jinou rychlostí než materiál fázové změny.

Paměť fázové změny je náchylná k zásadnímu kompromisu nezamýšlené vs. zamýšlené fázové změny. Vyplývá to primárně ze skutečnosti, že fázová změna je proces tepelně poháněný spíše než elektronický proces. Tepelné podmínky, které umožňují rychlou krystalizaci, by neměly být příliš podobné pohotovostním podmínkám, např. Pokojová teplota. Jinak nelze uchovat data. Se správnou aktivační energií pro krystalizaci je možné dosáhnout rychlé krystalizace za programovacích podmínek a velmi pomalé krystalizace za normálních podmínek.

Pravděpodobně největší výzvou pro paměť s fázovými změnami je její dlouhodobý odpor a drift prahového napětí. Odpor amorfního stavu se podle mocenského zákona pomalu zvyšuje (~ t 0,1 ). To vážně omezuje schopnost víceúrovňového provozu (nižší střední stav by byl později zaměněn s vyšším mezilehlým stavem) a mohlo by to také ohrozit standardní dvoustavový provoz, pokud se prahové napětí zvýší nad návrhovou hodnotu.

V dubnu 2010 společnost Numonyx uvedla na trh řadu Omneo s paralelním a sériovým rozhraním 128 MB NOR flash náhradních čipů PRAM. Ačkoli čipy NOR flash, které chtěly nahradit, fungovaly v rozsahu -40 ... 85 ° C, čipy PRAM fungovaly v rozsahu 0 ... 70 ° C, což naznačuje menší operační okno ve srovnání s bleskem NOR. To je pravděpodobně způsobeno použitím vysoce teplotně citlivých p – n spojů k zajištění vysokých proudů potřebných pro programování.

Časová osa

  • Leden 1955 : Kolomiets a Gorunova odhalili polovodičové vlastnosti chalkogenidových brýlí .
  • Září 1966 : Stanford Ovshinsky podal první patent na technologii fázových změn
  • Leden 1969 : Charles H. Sie publikoval disertační práci na Iowské státní univerzitě na paměťovém zařízení s fázovou změnou chalkogenidu
  • Červen 1969 : Patent USA 3 448 302 (Shanefield) licencovaný Ovshinskému požaduje první spolehlivý provoz zařízení PRAM
  • Září 1970 : Gordon Moore publikuje výzkum v časopise Electronics Magazine
  • Červen 1999 : Založení společnosti Ovonyx za účelem komercializace technologie PRAM
  • Listopad 1999 : Lockheed Martin pracuje s Ovonyxem na PRAM pro vesmírné aplikace
  • Únor 2000 : Intel investuje do Ovonyx, licenční technologie
  • Prosinec 2000 : ST Microelectronics licencuje technologii PRAM od společnosti Ovonyx
  • Březen 2002 : Společnost Macronix podává patentovou přihlášku pro bez tranzistorové PRAM
  • Červenec 2003 : Samsung začíná pracovat na technologii PRAM
  • 2003 až 2005 : Patentové přihlášky týkající se PRAM podané společnostmi Toshiba, Hitachi, Macronix, Renesas, Elpida, Sony, Matsushita, Mitsubishi, Infineon a další
  • Srpen 2004 : Nanochip licencuje technologii PRAM od Ovonyx pro použití v úložišti sondy MEMS
  • Srpen 2004 : Samsung oznamuje úspěšné pole 64 Mbit PRAM
  • Únor 2005 : Elpida licencuje technologii PRAM od společnosti Ovonyx
  • Září 2005 : Samsung ohlašuje úspěšné pole 256 Mbit PRAM, což znamená programovací proud 400 μA
  • Říjen 2005 : Intel zvyšuje investice do Ovonyxu
  • Prosince 2005 ; Hitachi a Renesas oznamují 1,5 V PRAM s programovacím proudem 100 μA
  • Prosinec 2005 : Samsung licencuje technologii PRAM od společnosti Ovonyx
  • Červenec 2006 : BAE Systems zahajuje prodej prvního komerčního čipu PRAM
  • Září 2006 : Samsung oznamuje zařízení 512 Mbit PRAM
  • Říjen 2006 : Intel a STMicroelectronics ukazují 128 Mbit PRAM čip
  • Prosinec 2006 : Výzkumné laboratoře IBM demonstrovaly prototyp 3 o 20 nanometrů
  • Leden 2007 : Qimonda licencuje technologii PRAM od společnosti Ovonyx
  • Duben 2007 : Hlavní technologický ředitel společnosti Intel Justin Rattner má dát první veřejnou ukázku technologie společnosti PRAM (fázová změna RAM)
  • Říjen 2007 : Hynix začíná sledovat PRAM licencí na technologii Ovonyx
  • Únor 2008 : Intel a STMicroelectronics ohlašují čtyřstavový MLC PRAM a začínají dodávat vzorky zákazníkům.
  • Prosinec 2008 : Společnost Numonyx oznamuje vybranému zákazníkovi sériovou výrobu 128 Mbit PRAM zařízení.
  • Červen 2009 : Paměť RAM s fázovou změnou od společnosti Samsung přejde do sériové výroby od června
  • Září 2009 : Společnost Samsung oznamuje zahájení sériové výroby zařízení 512 Mbit PRAM
  • Říjen 2009 : Intel a Numonyx oznamují, že našli způsob, jak na jednu matici naskládat paměťová pole s fázovou změnou
  • Prosinec 2009 : Numonyx ohlašuje 1 Gb 45 nm produkt
  • Duben 2010 : Numonyx vydává Omneo PRAM Series (P8P a P5Q), oba v 90 nm.
  • Duben 2010 : Samsung vydává 512Mbit PRAM s 65 nm procesem v Multi-Chip-Package.
  • Únor 2011 : Společnost Samsung představila 58 nm 1,8 V 1 Gb PRAM.
  • Únor 2012 : Společnost Samsung představila 20 nm 1,8 V 8 Gb PRAM
  • Červenec 2012 : Micron oznamuje dostupnost paměti Phase-Change Memory pro mobilní zařízení - první řešení PRAM v sériové výrobě
  • Leden 2014 : Micron stáhne všechny součásti PCM z trhu.
  • Květen 2014 : IBM demonstruje kombinaci PCM, konvenčních NAND a DRAM na jednom řadiči
  • Srpen 2014 : Western Digital předvádí prototyp úložiště PCM s 3 miliony I / O a latencí 1,5 mikrosekundy
  • Červenec 2015 : Intel a Micron ohlásili paměť 3D Xpoint, kde se slitina s fázovou změnou používá jako úložná součást paměťové buňky.

Viz také

Reference

externí odkazy