Paměť na změnu fáze

Phase-change memory je počítačová paměť  založená na fázovém přechodu, známá také jako PCM , PRAM , PCRAM , Ovonic Unified Memory , Chalkogenide RAM , C-RAM  je typ energeticky nezávislé paměti (NVRAM) založený na vlastnostech chalkogenidů , který při změně teploty může „přepínat“ mezi dvěma stavy: krystalickým a amorfním . V posledním vývoji[ co? ] byli schopni přidat další dva další stavy, což zdvojnásobilo informační kapacitu čipů , všechny ostatní věci byly stejné.

Počítání[ kým? ] jedna z hlavních technologií konkurujících flash paměti , která poskytuje řešení řady nepřekonatelných problémů flash paměti.

Pozadí

Vlastnosti chalkogenidu pro potenciální aplikace v paměti poprvé prozkoumal Stanford Ovshinsky z Energy Conversion Devices v 60. letech 20. století. V roce 1970, v zářijovém vydání Electronics , Gordon Moore  , jeden ze zakladatelů Intelu  , publikoval článek popisující technologii. Kvalita materiálu a spotřeba energie však neumožnily dovést technologii ke komerčnímu využití. Mnohem později došlo k obnovení zájmu o tuto technologii, stejně jako o její výzkum, zatímco technologie pamětí flash a DRAM měly podle výpočtů čelit problémům se škálováním se zmenšením velikosti v čipové litografii .

Krystalický a amorfní stav chalkogenidu se zásadně liší v elektrickém odporu , a to je základem ukládání informací.

Amorfní stav, který má vysoký odpor, se používá k reprezentaci například binární 0 a krystalický stav, který má nízký měrný odpor, kóduje logickou 1.

Chalkogenid je stejný materiál používaný v přepisovatelných optických médiích (jako jsou CD-RW a DVD-RW ). V takových médiích jsou optické vlastnosti materiálu lépe ovladatelné než jeho elektrický odpor, protože index lomu chalkogenidu se také mění se stavem materiálu.

Přestože PRAM zatím nezaznamenal komerční úspěch ve spotřební elektronice, téměř všechny prototypy používají chalkogenidy v kombinaci s germaniem , antimonem a teluriem ( GeSbTe ), zkráceně GST. Stechiometrické složení nebo poměry prvků Ge:Sb:Te jsou 2:2:5. Když se GST zahřeje na vysokou teplotu (přes 600 °C), jeho chalkogenidová složka ztratí svou krystalickou strukturu. Po ochlazení přechází do amorfní formy podobné sklu a zvyšuje se jeho elektrický odpor . Když se chalkogenid zahřeje na teplotu nad svým bodem krystalizace , ale pod bodem tání , přejde do krystalického stavu s podstatně nižším odporem. Doba úplného přechodu do této fáze závisí na teplotě. Chladnějším částem chalkogenidu trvá krystalizace déle a přehřáté části se mohou roztavit. Obecně se doba krystalizace používá řádově 100 ns [1] . To je o něco delší než u konvenčních volatilních pamětí, jako jsou moderní čipy DRAM , jejichž doba přepínání je v řádu dvou nanosekund. V lednu 2006 však společnost Samsung Electronics Corporation patentovala technologii, která poskytuje pět nanosekundových přepínacích časů v PRAM.

Novější výzkum společností Intel a ST Microelectronics umožnil pečlivější kontrolu stavu materiálu a umožnil mu transformaci do jednoho ze čtyř stavů: dva jsou amorfní a krystalické a dva nové (částečně krystalické). Každý z těchto stavů má své vlastní elektrické vlastnosti, které lze číst, což umožňuje jedné buňce uložit dva bity, čímž se zdvojnásobí hustota paměti [2] .

PRAM a Flash

Nejzajímavější otázkou je doba sepnutí PRAM a dalších náhražek flash paměti. Teplotní citlivost PRAM je možná nejprominentnějším problémem, který může vyžadovat změny ve výrobním procesu pro prodejce se zájmem o technologii.

Flash paměť funguje tak, že mění úroveň náboje ( elektronů ) uložených interně za bránou MOSFETu . Brána je vybavena speciálním "zásobníkem" určeným k uchycení náboje (buď na plovoucí bráně nebo v izolátoru "pasti" ). Přítomnost náboje uvnitř brány mění prahové napětí tranzistoru , čímž je vyšší nebo nižší, což znamená například 1 nebo 0. Změna stavu bitů vyžaduje resetování uloženého náboje, což zase vyžaduje relativně vysoké napětí k „vytažení“ elektronů z plovoucího hradla. Takový skok napětí je zajištěn čerpáním náboje , které vyžaduje určitý čas na akumulaci energie. Celková doba zápisu pro běžná flash zařízení je řádově 1 ms (na datový blok), což je asi 100 000násobek typické doby čtení 10 ns například pro SRAM (na bajt).

PRAM může nabídnout výrazně vyšší výkon v oblastech, které vyžadují rychlý zápis, a to díky rychlejšímu přepínání paměťových prvků a také díky tomu, že hodnotu jednotlivých bitů lze změnit na 1 nebo 0 bez předchozího vymazání celého bloku buněk. Vysoký výkon PRAM, který je tisíckrát rychlejší než běžné pevné disky, jej činí mimořádně zajímavým z hlediska energeticky nezávislé paměti, jejíž výkon je v současnosti omezen přístupovou dobou (pamětí).

Každé přiložení napětí navíc způsobí nevratnou degradaci buněk flash paměti. S rostoucí velikostí buňky se zvyšuje poškození programování kvůli napětí požadovanému programem, které se nemění podle rozměrů litografického procesu. Většina flash zařízení má zdroj asi 10 000-100 000 cyklů zápisu na sektor a většina řadičů flash provádí vyrovnávání zátěže pro distribuci operací zápisu do více fyzických sektorů, takže zatížení každého jednotlivého sektoru je malé.

Zařízení PRAM se používáním také zhoršují, ale z jiných důvodů než flash paměti, a degradace je mnohem pomalejší. Zařízení PRAM vydrží asi 100 milionů cyklů zápisu [3] . Životnost čipu PRAM je omezena mechanismy, jako je degradace v důsledku expanze GST při zahřátí během programování, přemístění kovů (a dalších materiálů) a dosud neprozkoumané faktory.

Části paměti flash lze naprogramovat před připájením k desce, nebo je dokonce lze zakoupit předem naprogramované. Obsah PRAM se naopak ztrácí při vysoké teplotě potřebné při pájení zařízení k desce ( pájení přetavením nebo pájení vlnou ). Tím se zařízení degraduje z hlediska ekologie výroby . Výrobce používající díly PRAM musí zajistit mechanismus pro programování čipů PRAM již „v systému“, tedy po jejich připájení k desce.

Speciální hradla používaná ve flash paměti umožňují, aby náboj (elektrony) v průběhu času „unikal“, což způsobuje poškození a ztrátu dat. Odpor v paměťových prvcích PCM je stabilnější; při běžné provozní teplotě 85°C se předpokládá, že uložení dat vydrží více než 300 let [4] .

Pečlivým vyladěním množství náboje uloženého na bráně mohou flashová zařízení uložit více (obvykle dva) bity v každé fyzické buňce. To efektivně zdvojnásobuje hustotu paměti a snižuje její náklady. Zařízení PRAM původně ukládala pouze jeden bit na buňku, ale nedávné pokroky společnosti Intel tento problém obešly.

Vzhledem k tomu, že záblesková zařízení používají k ukládání informací retenci elektronů, jsou náchylná k poškození dat v důsledku radiace, což je činí nevhodnými pro vesmírné a vojenské aplikace. PRAM vykazuje vyšší odolnost vůči radiaci.

Spínače buněk PRAM mohou používat širokou škálu zařízení: diody , bipolární tranzistory nebo tranzistory N-MOS . Použití diody nebo bipolárního tranzistoru poskytuje nejvyšší množství proudu pro danou velikost článku. Problém s použitím diody však vzniká parazitními proudy v sousedních článcích a také vyššími požadavky na napětí. Odpor chalkogenidů musí být zvýšen, což vyžaduje použití diody, protože provozní napětí musí být výrazně nad 1 V, aby byl zajištěn dostatečný tok proudu z diody. Snad nejdůležitější výhodou použití řady přepínačů na bázi diod (zejména pro velká pole) je absolutní tendence proudu vytékat zpět z extra bitových linek. V tranzistorových polích umožňují vybití náboje pouze požadované bitové linky. Rozdíly v odběru náboje kolísají o několik řádů. Dalším problémem s škálováním pod 40 nm je účinek určitých nečistot, protože spojení typu p-n výrazně snižuje oblast účinku.

2000 a později

V srpnu 2004 Nanochip licencoval technologii PRAM pro použití v úložných zařízeních založených na elektrodách MEMS (mikroelektromechanické systémy). Tato zařízení nejsou v pevném stavu. Naproti tomu poměrně malý plátek potažený chalkogenidem je umístěn mezi mnoha (tisíci nebo dokonce miliony) elektrod, které mohou číst nebo zapisovat do chalkogenidu. Technologie mikropohybu společnosti Hewlett-Packard umožňuje umístění waferů s přesností 3 nanometrů, což umožňuje hustotu větší než 1 terabit (128 GB) na čtvereční palec, pokud se technologie zlepší. Hlavní myšlenkou je snížit počet spojů pájených na čipu; místo spojů pro každý článek jsou články umístěny blíže k sobě a čteny nábojem procházejícím elektrodami MEMS, které fungují jako spoje. Takové řešení nese myšlenku podobnou technologii Millipede od IBM .

V září 2006 Samsung oznámil prototyp 512 megabitového (64 Mb) zařízení založeného na spínací diodě [5] . Takové oznámení bylo zcela neočekávané a vzbudilo zvýšenou pozornost díky své průhledné vysoké hustotě. Velikost buňky prototypu byla pouze 46,7 nm, což bylo menší než komerční flash zařízení dostupná v té době. Přestože byla k dispozici flashová zařízení s vyšší kapacitou (64 Gbps - 8 Gb, právě se objevila na trhu), ostatní technologie soutěžící o nahrazení flash měly nižší hustoty (tj. větší velikosti buněk). Například při výrobě paměti MRAM - a FRAM - bylo možné dosáhnout 4 Mbps. Vysoká hustota prototypů pamětí PRAM společnosti Samsung nabízela zaručenou životnost jako konkurent flash pamětí, aniž by byla omezena na okrajovou roli jako jiné technologie. PRAM vypadá mimořádně atraktivně jako potenciální náhrada za NOR flash , který obvykle zaostává za kapacitou NAND flash (nejnovější vývoj kapacity NAND dosáhl před časem milníku 512 Mbit). NOR flash nabízí podobnou hustotu jako prototypy PRAM od Samsungu a již nabízí bitovou adresovatelnost (na rozdíl od NAND, která přistupuje k paměti přes „banky“ o mnoha bytech).

Po oznámení společnosti Samsung následovalo společné oznámení společností Intel a STMicroelectronics , které předvedly svá vlastní PCM zařízení na Intel Developer Forum v říjnu 2006 [6] . Ukázali vzorek 128 Mbit, který se nedávno začal vyrábět ve výzkumném a vývojovém zařízení STMicroelectronics v italském Agrate. Intel tvrdil, že zařízení jsou pouze demonstrátory, ale očekávali, že výroba prototypů začne během několika měsíců a široká komerční výroba během několika let. Intel, soudě podle jejich prohlášení, zaměřoval své produkty PCM na stejnou oblast trhu jako Samsung.

PCM je velmi slibná technologie z vojenského a leteckého hlediska, kde záření činí zbytečnou standardní energeticky nezávislou paměť, jako je flash paměť. Zařízení PCM byla představena vojenskou korporací BAE Systems , nazvanou C-RAM, a tvrdila, že mají vynikající odolnost vůči radiaci ( ztužení ozařováním ) a imunitu vůči latchup efektu. A co víc, BAE tvrdí asi 108 cyklů zápisu, což z ní dělá uchazeče o nahrazení čipů PROM a EEPROM ve vesmírných systémech.

V únoru 2008 předvedli inženýři Intelu společně se společností STMicroelectronics první prototyp víceúrovňového pole PCM. Prototyp mohl uložit dva logické bity na fyzickou buňku, to znamená, že 256 Mb efektivní paměti bylo uloženo ve 128 Mb fyzické paměti. To znamená, že místo obvyklých dvou stavů - zcela amorfních nebo zcela krystalických - jsou přidány dva další mezistavy, představující různé stupně částečné krystalizace, umožňující uložení bitových polí dvakrát do stejné fyzické oblasti na čipu [2] .

V únoru 2008 začaly Intel a STMicroelectronics dodávat prototypy svého prvního PCM produktu dostupného zákazníkům. Produkt vyrobený 90 nm procesem s rychlostí 128 Mbps (16 Mb) byl nazván Alverstone ( Alverstone ) [7] .

V druhé polovině roku 2010 jsou komerčně dostupné disky Intel Optane PRAM ( 3D XPoint ) [8] [9] [10] . Na jaře 2021 strategický partner Intelu v této oblasti, Micron , oznámil, že zcela ztratil víru v možnost komerčního úspěchu 3D XPointu a prodal společnost, která jej vyrobila; kupující závodu, Texas Instruments, jej kompletně převádí na jiné produkty [11]

Problémy

Největší problém s pamětí změny fáze je požadavek na programovatelnou hustotu náboje (>10 7 A/cm², ve srovnání s 10 5 −10 6 A/cm² pro běžné tranzistory nebo diody ) v aktivní fázi. Díky tomu se oblast vlivu stává mnohem menší než oblast řídicího tranzistoru. Kvůli tomuto rozdílu ve struktuře paměti fázových změn je nutné v litografických rozměrech zabalit teplejší a náhodněji fázově měnící materiál. Z tohoto důvodu náklady na proces ztrácí na ceně ve srovnání s flash pamětí. Náklady na 3D XPoint tedy zhruba o řád převyšují náklady na obvyklé TLC 3D NAND a podle dostupných odhadů stojí výroba 1 GB takové paměti minimálně 0,5 $, což Intelu neumožňuje vstoupit masový trh s disky založenými na takové paměti (společnost však našla cestu v hybridních spotřebitelských produktech, které jsou postaveny současně na 3D XPoint a QLC 3D NAND) [11] .

Kontakt mezi horkou oblastí fázového přechodu a sousedním dielektrikem je další z nevyřešených základních otázek. Dielektrikum může umožnit únik náboje, když teplota stoupá, nebo se může oddělit od materiálu s fázovou změnou, když se v různých fázích rozpíná.

Paměť změny fáze je vysoce citlivá na libovolnou změnu fáze. To je způsobeno především tím, že fázový přechod je ve srovnání s elektronickým procesem řízeným teplotou. Tepelné podmínky umožňující rychlou krystalizaci by neměly být blízké podmínkám ustáleného stavu, jako je pokojová teplota. Jinak uchovávání dat nebude trvat dlouho. S vhodnou krystalizační aktivační energií je možné nastavením vhodných podmínek dosáhnout rychlé krystalizace, zatímco za normálních podmínek bude probíhat velmi pomalá krystalizace.

Pravděpodobně největším problémem paměti fázových změn je postupná změna odporu a prahového napětí v čase [12] . Odpor amorfního stavu se pomalu zvyšuje podle mocninného zákona (~t 0,1 ). To poněkud omezuje možnost použití víceúrovňových paměťových buněk (dále bude základní střední stav zaměňován s horním středním stavem) a může ohrozit standardní dvoufázový provoz v případě, že prahové napětí překročí poskytnutou hodnotu.

Poznámky

  1. ↑ H. Horii et al., 2003 Symposium on VLSI Technology, 177-178 (2003).
  2. ↑ 1 2 A Memory Breakthrough Archived 26. května 2009 na Wayback Machine , Kate Greene, Technology Review, 4. února 2008
  3. ↑ Intel tento rok vyzkouší paměť fázových změn (odkaz není k dispozici) . Datum přístupu: 17. prosince 2009. Archivováno z originálu 23. března 2007. 
  4. ↑ Pirovano, A. Redaelli, A. Pellizzer, F. Ottogalli, F. Tosi, M. Ielmini, D. Lacaita, AL Bez, R. Reliability study of phase-change nonvolatile memory. IEEE transakce týkající se spolehlivosti zařízení a materiálů. Září. 2004, sv. 4, vydání 3, str. 422-427. ISSN 1530-4388.
  5. ↑ SAMSUNG představuje novou generaci energeticky nezávislé paměti - PRAM . Získáno 17. prosince 2009. Archivováno z originálu 15. listopadu 2011.
  6. ↑ Intel Náhled potenciální náhrady pro Flash
  7. ↑ Intel, STMicroelectronics dodává první prototypy paměti Phase Change Memory (odkaz není k dispozici) . Numonyx (6. února 2008). Získáno 15. srpna 2008. Archivováno z originálu dne 6. září 2008. 
  8. ↑ Praktická recenze Intel Optane SSD DC P4800X 750 GB Archivováno 1. prosince 2017 na Wayback Machine // anandtech.com
  9. ↑ Intel 3D XPoint Memory Die odstraněn z Intel Optane™ PCM (Paměť Phase Change) Archivováno 1. prosince 2017 na Wayback Machine // techinsights.com
  10. ↑ Selector Elements pro Intel Optane XPoint Memory Archivováno 1. prosince 2017 na Wayback Machine // techinsights.com
  11. ↑ 1 2 Výsledky roku 2021: SSD disky – Co se děje s 3D XPoint Archivováno 16. ledna 2022 na Wayback Machine // 3DNews , 14. ledna 2022
  12. ↑ D. Ielmini a kol., IEEE Trans. electrondev. sv. 54, 308-315 (2007).

Odkazy

Zdroje a weby Zprávy a tiskové zprávy