Користувач:Кузик Ірина Іванівна/Чернетка

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до навігації Перейти до пошуку

Phase-change memory (память на основі фазового переходу, також відома як PCM, PRAM, PCRAM, Ovonic Unified Memory, Chalcogenide RAM, C-RAM) — тип энергонезалежної пам'яті, заснований на поведінці халькогенідів, яка при нагріванні може «переключатися» між двома станами: кристалічним і аморфним. В останніх версіях змогли додати ще два додаткові стани, ефективно подвоївши інформаційну місткість чипів. Вважається однією з основних конкуруючих з флеш-пам'ятю технологій, які забезпечуєть розв'язання багатьох невирішених проблем останньої.

Передісторія[ред. | ред. код]

Властивості халькогеніда з точки зору потенційної технології пам'яті вперше були досліджені Стэнфордом Овшинским з компанії Energy Conversion Devices у 1960-х роках. У 1970 року у вересневому випуску Electronics, Гордон Мур — один з засновників Intel — опублікував статтю про технології. Але якість матеріалу і енергоспоживання не дозволили перевести технологію у комерційне русло. Пізніше знову виник інтерес до цієїт ехнології, так само як і дослідження по ній, тоді як технології флеш- і DRAM-пам'яті згідно розрахунків мали б зіштовхнутися з проблемами масштабування при зменшенні розмірності процесів літографії чипів.

Кристалічний і аморфний стани халькогеніу кардинально відрізняються питомим опором, а це лежить в основі зберігання інформації. Аморфний стан, який має високий опір, використовується для представлення двійкового 0, a кристалічний стан, який має низький рівень опору, представляє 1. Халькогенід — це той самий матеріал, який використовується у перезаписуючих оптичних носіях (як, наприклад, CD-RW і DVD-RW). У таких носіях оптичні властивості матеріалу піддаються управлінню краще, ніж його питомий опір, так як показник заломлення халькогеніду також міняється в залежності від стану матеріалу.

Хоча PRAM поки що не досяг комерційного успіху в області побутової електроніки, майже всі прототипи використовують халькогеніди у поєднанні з германієм, стибієм і телуром (GeSbTe), які скорочено називають GST. Стехіометричний склад або коефіцієнти елементів Ge:Sb:Te рівні 2:2:5. Прі нагревании GST до високої температури (вище 600 °C) його халькогенідна складова втрачає свою кристалічну структуру. При охолодженні вона перетворюється у аморфну стіклоподібну форму, а її питомий опір збільшується. При нагріванні халькогеніду до температури вище його точки кристалізації, але нижче температури плавлення, він переходить у кристалічний стан з суттєво нижчим опогром. Час повного переходу до цієї фази залежить від температури. Холодніші частини халькогеніду довше кристалізуютья, а перегріті частини можуть розплавитися. Загалом час кристалізаці складає близько 100 нс.[1] Це трохи довше, ніж у звичайної енергозалежної пам'яті, як, наприклад, сучасні DRAM-чіпи, в яких час переключення складає близько двох наносекунд. Проте в січні 2006 року корпорація Samsung Electronics запатентувала технологію, яка свідчить про те, що PRAM може досягати часу переключення в п'ять наносекунд.

Пізніші дослідження Intel і ST Microelectronics дозволили ретельніше контролювати стан матеріалу, дозволяючи йому перетворюватися в один з чотирьох станів: два попередні (аморфний і кристалічний) і два нових (частково кристалічних). Кожне з цих станів володіє власними електричними властивостями, які можуть вимірюватися при читанні, дозволяючи одній комірці зберігати два біта, подвоюючи цим щільністьть пам'яті.[2]

PRAM і Flash[ред. | ред. код]

Найцікавішим питанням є час переключення, який витрачається PRAM, і іншими замінниками флеш-пам'яті. Чутливість PRAM до температури, можливо, є самою помітною проблемою, вирішення якої може вимагати змін у виробничім процесі в постачальників, зацікавлених у технології.

Флеш-пам'ять працює за рахунок змінт рівня заряду (електронів), які зберігаються всередині за затвором МОП-транзистору. Затвор створюється зі спеціальним «стеком», який розроблений для утримування заряду (або на плаваючому затворі, або у «пастках» ізолятора). Наявність заряду всередині затвору змінює порогову напругу транзистору, роблячи її вище або нижче, означаючи 1 або 0, наприкладу. Зміна стану бітів вимагає скидання накопленного заряду, що, в свою чергу, вимагає відносно високої напруги для «вытягування» електронів з плаваючого затвору. Такийстрибок напруги забезпечується за рахунок підкачки заряду, що вимагає деякого часу для накопичення енергії. Спільний час запису для поширених флеш-пристроїв становить біля 1 мс (для блоку даних), що приблизно у 100,000 раз вище звичайного часу зчитування у 10 нс для SRAM, наприклад (на байт).

PRAM може запропонувати більш високу продуктивність у сферах, де вимагається швидкий запис, за рахунок того, що елементи пам'яті можуть швидше переключатися, а також завдяки тому, що значення окремих бітів можна змінити на 1 або 0 без попереднього стиранняя цілого блоку комірок. Висока продуктивність PRAM, яка у тисячу разів швидше, ніж звичайні жорсткі диски, робить її надзвичайно цікавою з точки зору энергонезалежної пам'яті, продуктивність якої в теперешній час обмежена часом доступу (до пам'яті).

Крім того, кожне застосування напруги викликає необоротну деградацію комірок флеш-пам'яті.Із збільшенням розміру комірок шкода від програмування зростає через потрібну програмі подачу напруги, яка не змінюється у відповідності з розмірністью процесу літографії. Більшість флеш-пристроїв мають 10,000—100,000 циклів запису на сектор, а більшість флеш-контролерів виконують розподіл навантаження для розподілу операцій запису по множині фізичний секторів, так, щоб навантаження на кожний окремо взятий сектор було невеликим.

PRAM-пристрої також деградують впродовж використання, але по іншим причинам, ніж флеш-пам'ять, до того ж деградація походить набагато повільніше. PRAM-устрій може витримати близько 100 мільйонів циклів запису.[3] Пора життя чіпа PRAM обмежене механізмами, ніби деградації через розширення GST при нагріванні під час програмування, зміщення металів (і інших матеріалів), а також поки ще не досліджених факторів.

Частини флеш-пам'яті можуть бути запрограмовані на припаювання до плати, або можуть навіть бути придбані заздалегідь запрограмованими. Вміст PRAM, навпаки, твтрачається при високій температурі, необхідній для припаювання пристрою до плати (пайка оплавленням припою або хвильова пайка). Це погіршує пристрій з точки зору екології виробництва. Виробник, який використовує частини PRAM, повинен забезпечувати механізм для програмування чипів PRAM вже «в системі», тобто після їхнього припаювання до плати.

Специальні затвори, які використовуються у флеш-пам'яті, допускають з часом «витоки» заряду (електронів), викликаючи пошкодження і втрату даних. Опір у елементах пам'ятs PCM є стабільнішим; при нормальній робочій температурі у 85 °C передбачається зберігання даних терміном понад 300 років.[4]

В рахунок ретельного налаштування величини заряду, який зберігається на затворі, флеш-пристрої можуть зберігати кілька (зазвичай два) біта у кожній фізичній комірці. Це ефективно подвоює щільність пам'яті, знижуючи її вартість. PRAM-пристрої спочатку зберігали лише один біт на комірку, але останні досягнення Intel дозволили обійти цю проблему.

Так як флеш-пристрої використовують утримання електронів для зберігання інформації, то вони схильні до пошкодження даних через радіацію, що робить їх непридатними до використання у космічній і воєній сферах. PRAM демонструє вищу стійкість до радіації.

Перемикачі комірок PRAM можуть використовувати широкий діапазон пристроїв: діоди, біполярні транзистори або N-МОП-транзисторы. Застосування діоду або біполярного транзистору забезпечує найбільшу величину струму для даного розміру комірки. Однак проблема з використанням діоду виникає через паразитних струмів у сусідніх комірках, так само як і вищих вимог до напруги. Опір халькогенідів необхідно підвищити, що тягне за собою використання діоду, оскільки робоча напруга повинна значно перевищувати 1 В для гарантії достатнього результату струму від діоду. Можливо, найбільше важлива значущість використання масиву перемикачів на основі діодів (особливо це стосується вельких масивів) полягає у абсолютній схильності до зворотного витоку струму з зайвих ліній бітів. У транзисторних масивах тільки потрібні лінії бітів допускають стік заряду. Різниця у стоці заряду коливається у декілька порядків. Подальша проблема з масштабуванням нижче 40 нм є ефектом визначених домішок, оскільки зв'язок типу p-n значно знижує область дії.

2000 і після[ред. | ред. код]

У серпні 2004 року компанія Nanochip ліцензувала технологію PRAM для використання у пристроях зберігання на основі МЕМС-електродів (мікроелектромеханічних систем). Ці пристрою не є твердотільними. Навпроти, досить невелика пластина, покрита халькогенідом, поміщається між безліччю (тисячі або навіть мільйони) електродів, які можуть зчитувати або записувати на халькогенід. Технологія мікропереносу (micro-mover) корпорації Hewlett-Packard дозволяє позиціонувати пластину з точністю до 3 нанометров, за рахунок чого стає можливою щільність більше 1 терабіту (128 Гб) на квадратний метр, якщо технологія буде вдосконалена. Основная ідея полягає у зменшенні кількості з'єднань, розпаєних на чипі;замість з'єднань для кожної комірки, комірки розташовується ближче одна до одної, і зчитуються зарядом, який проходить через МЭМС-електроди, які і виступають у ролі з'єднань. Подібне рішення несе у собі ідею, схожу з технологією Millipede корпорації IBM.

У вересні 2006 року корпорація Samsung анонсувала прототип 512-мегабітного (64 Мб) пристрою, який використовує у своїй основі діод[5], що перемикається. Подібний анонс був досить несподіваним, а підвищену увагу він отримав завдяки прозорій високій щільності. Розмір комірок прототипу становив лише 46,7 нм, це було менше, ніж у комерційних флеш-пристроїв, які були доступні на той час. Хоча і були доступні флеш-пристрої з вищоє ємністю (64 Гбит — 8 Гб, тільки з'явились на ринку), решта технологій, які змагатися у прагненні замінити флеш-технологію, мали нижчу щільність (тобто більші розміри комірок). Наприклад, при виробництві MRAM- і FRAM-пам'яті вдалося досягти 4 Мбіт. Висока щільність прототипів PRAM-пам'яті від Samsung припускала гарантоване життя як конкурента флеш-пам'яті, не обмежуючись нішовою роллю, як інші технології. PRAM виглядає надзвичайно привабливо у якості потенційної заміни для флеш-пам'яти типу NOR, у котрої ємність пристрою зазвичай відставала від ємності флеш-пам'яті типа NAND. (найновіші розробки у сфері ємності NAND-пам'яті подолали рубіж у 512 Мбіт деякий час назад). Флеш-пам'ять типа NOR пропонує подібну щільність з показниками PRAM-прототипів від Samsung, до того ж вже пропонує бітову адресність (на відміну від NAND, у якої доступ до пам'яті здійснюється через «банки», які складаються з безлічі байт).

Після анонсу від Samsung послідувала спільна заява від Intel і STMicroelectronics, які продемонструвати власні PCM-пристрої у рамках Intel Developer Forum, який проходив у жовтні 2006 року[6]. Вони показали 128-Мбітний зразок, який нещодавно розпочали виготовляти на дослідницькій фабриці STMicroelectronics у Аграте, Італія. Intel стверджувала, що пристрої були лише демонстраційними екземплярами, але вони очікували початку виробництва готовийх зразків упродовж декількох місяців, а впродовж декількох років — і широке комерційне виробництво. Intel, судячи по їхнім заявам, націлювала свої PCM-продукти на ту ж сферу ринку, що і Samsung.

PCM — досить багатообіцяюча технологія з точки зору військової і аерокосмічної сфери, де радіація робить безглуздим використання стандартної енергонезалежної пам'яті, як, наприклад, флеш-память. PCM-пристрої були представлені військовою корпорацією BAE Systems, яка отримала назву C-RAM, до того ж було заявлено про чудову стійкість до радіаційного випромінюванню (Зміцнення шляхом опромінення) і несхильності до latchup-ефекту. Понад того, BAE заявляла про витримання близько 108 циклів запису, що робить цю розробку претендентом на заміну PROM- і EEPROM-чипів у космічних системах.

В лютому 2008 року інженери Intel спільно з STMicroelectronics продемонстрували перший прототип багаторівневого PCM-масиву. Прототип зберігав два логічних біта на фізичну комірку, тобто 256 Мбіт ефективної пам'яті зберігалися у 128 Мбіт фізичної. Це означає, що замість звичайних двох станів — повністю аморфне або повністю кристалічне — додаються ще два додаткових проміжних стани, які представляють різні ступені часткової кристалізаці, що дозволяє двічі зберігати масиви бітоі в одній фізичній області на чипі.[2]

Також у лютому 2008 року Intel і STMicroelectronics розпочали поставки прототипних зразків їхнього першого PCM-продукту, який доступний замовникам. Продукт, виконаний за процесои 90 нм, який мав 128 Мбіт (16 Мб), отримав назву Альверстоун (Alverstone).[7]

У другій половині 2010-х комерційні доступні накопичувачі PCM Intel Optane (3D XPoint).[8][9][10]

Проблеми[ред. | ред. код]

Найбільшою проблемою пам'яті на основі фазового переходу є вимога щільності програмованого заряду (>107 A/см², для порівняння у звичайних транзисторів або діодів рівно 105−106 A/см²) у активній фазі. Завдяки цьому сфера дії стає значно менше, ніж у управляючого транзистору. Через ці відмінності структури пам'яті на основі фазового переходу доводиться запаковувати в гарячіший і схильний до довільного фазового переходу матеріал у літографічні розміри. Через це вартість процесу по ціні програє у порівнянні з флеш-пам'ятю.

Контакт між гарячою областю фазового переходу і сусіднім діелектриком — ще одне з невирішених фундаментальних питань. Діелектрик може допустити витік заряду пріипідвищенні температури, або може відриватися від матеріалу з фазовим переходом при розширенні на різних етапах.

Пам'ять з фазовым переходом досить сприйнятлива до довільного фазового переходу. Це відбувається в основном через те, що фазовый перехід — температурно-управляємий процес порівняно з електроним. Термічні умови, які допускають швидку кристалізацію, не повинні бути близкими до умов збереження стійкого стану, наприклад, комнатної температури. В іншому випадку утримування даних не буде скільки-небудь тривалим. При відповідній енергії активації кристалізації можна досягти швидкої кристалізації шляхом задання відповідний умов, у той час як при звичайних умовах буде походити дуже повільна кристалізація.

Мабуть, найбільшою проблемою пам'яті зі зміною фазового стану є поступова зміна опору і порогова напруга з плином часу[11]. Опір аморфного стану повільно зростає за степеневим законом (~t0.1). Це дещо обмежує можливість використання багаторівневих комірок пам'яті (надалі проміжний стан, який лежить нижче, буде плутатися з проміжним станом, який лежить вище) і можу наражати на небезпеку стандартну двохфазову операцію, у випадку якщо порогова напруга перевищить передбачене значення.

Примітки[ред. | ред. код]

  1. ↑ H. Horii et al.,2003 Symposium on VLSI Technology, 177—178 (2003).
  2. ↑ а б A Memory Breakthrough, Kate Greene, Technology Review, 04-Feb-2008
  3. ↑ Intel to Sample Phase Change Memory This Year. Архів оригіналу за 23 березня 2007. Процитовано 17 грудня 2009.
  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. ↑ Intel, STMicroelectronics Deliver Industry's First Phase Change Memory Prototypes. Numonyx. 6 лютого 2008. Архів оригіналу за 6 вересня 2008. Процитовано 15 серпня 2008. {{cite web}}: Недійсний |deadlink=404 (довідка)
  8. ↑ Intel Optane SSD DC P4800X 750GB Hands-On Review
  9. ↑ Intel 3D XPoint Memory Die Removed from Intel Optane™ PCM (Phase Change Memory)
  10. ↑ Memory/Selector Elements for Intel Optane XPoint Memory
  11. ↑ D. Ielmini et al., IEEE Trans. Electron Dev. vol. 54, 308—315 (2007).

Посилання[ред. | ред. код]

Ресурси і сайти
Новини і прес-релізи

[[Категорія:Енергонезалежна пам'ять]]

Отримано з https://uk.wikipedia.org/w/index.php?title=Користувач:Кузик_Ірина_Іванівна/Чернетка&oldid=27630185