Faseændringshukommelse

Faseændringshukommelse er en computerhukommelse baseret på en faseovergang, også kendt som PCM , PRAM , PCRAM , Ovonic Unified Memory , Chalcogenide RAM , C-RAM er en type ikke-flygtig hukommelse (NVRAM) baseret på chalcogeniders egenskaber , som, når temperaturen ændrer sig, kan "skifte" mellem to tilstande: krystallinsk og amorf . I den seneste udvikling[ hvad? ] var i stand til at tilføje yderligere to yderligere tilstande, hvilket fordoblede informationskapaciteten af chipsene , alt andet lige.

Tæller[ af hvem? ] en af de vigtigste teknologier, der konkurrerer med flash-hukommelse , og giver løsninger på en række uoverstigelige problemer i sidstnævnte.

Baggrund

Chalcogenidens egenskaber til potentielle anvendelser i hukommelsen blev først udforsket af Stanford Ovshinsky fra Energy Conversion Devices i 1960'erne. I 1970, i septemberudgaven af Electronics , udgav Gordon Moore , en af grundlæggerne af Intel , en artikel, der beskrev teknologien. Kvaliteten af materialet og energiforbruget tillod dog ikke at bringe teknologien til kommerciel brug. Langt senere var der en fornyet interesse for denne teknologi, såvel som forskning i den, mens flash- og DRAM-hukommelsesteknologier ifølge beregninger skulle have haft problemer med skalering med downsizing i chiplitografi .

De krystallinske og amorfe tilstande af chalcogenid er fundamentalt forskellige i elektrisk modstand , og dette er grundlaget for informationslagring.

Den amorfe tilstand, som har en høj modstand, bruges til at repræsentere for eksempel et binært 0, og den krystallinske tilstand, som har en lav resistivitet, koder for en logisk 1.

Chalcogenid er det samme materiale, der bruges i genskrivbare optiske medier (såsom CD-RW og DVD-RW ). I sådanne medier er de optiske egenskaber af materialet mere kontrollerbare end dets elektriske modstand, da brydningsindekset for chalcogenidet også varierer med materialets tilstand.

Selvom PRAM endnu ikke har opnået kommerciel succes inden for forbrugerelektronik, bruger næsten alle prototyper chalcogenider i kombination med germanium , antimon og tellur ( GeSbTe ), forkortet til GST. Den støkiometriske sammensætning eller forhold mellem Ge:Sb:Te-elementer er 2:2:5. Når GST opvarmes til en høj temperatur (over 600 °C), mister dens chalcogenid-komponent sin krystalstruktur. Når den afkøles, bliver den til en amorf glaslignende form, og dens elektriske modstand øges. Når chalcogenidet opvarmes til en temperatur over dets krystallisationspunkt , men under dets smeltepunkt , ændres det til en krystallinsk tilstand med væsentligt lavere modstand. Tiden for fuldstændig overgang til denne fase afhænger af temperaturen. De koldere dele af chalcogenidet er længere om at krystallisere, og de overophedede dele kan smelte. Generelt er den anvendte krystallisationstid i størrelsesordenen 100 ns [1] . Dette er lidt længere end konventionel flygtig hukommelse, såsom moderne DRAM -chips, hvis koblingstid er i størrelsesordenen to nanosekunder. Men i januar 2006 patenterede Samsung Electronics Corporation en teknologi, der giver fem nanosekunders skiftetider i PRAM.

Nyere forskning foretaget af Intel og ST Microelectronics har gjort det muligt at kontrollere materialets tilstand mere omhyggeligt, hvilket gør det muligt at transformere det til en af fire tilstande: to er amorfe og krystallinske og to nye tilstande (delvist krystallinske). Hver af disse tilstande har sine egne elektriske egenskaber, der kan læses, hvilket gør det muligt for en celle at lagre to bits, hvilket fordobler hukommelsestætheden [2] .

PRAM og Flash

Det mest interessante problem er den skiftetid, som PRAM og andre flashhukommelseserstatninger tager. Temperaturfølsomheden af PRAM er måske det mest fremtrædende problem, der kan kræve ændringer i fremstillingsprocessen for leverandører, der er interesserede i teknologien.

Flash-hukommelse fungerer ved at ændre niveauet af ladning ( elektroner ), der er lagret internt bag porten på en MOSFET . Porten er bygget med en speciel "stak" designet til at holde ladningen (enten på den flydende port eller i isolator "fælder" ). Tilstedeværelsen af ladning inde i porten ændrer transistorens tærskelspænding , hvilket gør den højere eller lavere, hvilket betyder for eksempel 1 eller 0. Ændring af bits tilstand kræver, at den lagrede ladning nulstilles, hvilket igen kræver en relativt høj spænding for at "trække" elektronerne ud af den flydende gate. Et sådant spændingsspring er tilvejebragt ved ladningspumpning , hvilket kræver noget tid at akkumulere energi. Den samlede skrivetid for almindelige flash-enheder er i størrelsesordenen 1 ms (pr. datablok), hvilket er omkring 100.000 gange den typiske 10 ns læsetid for for eksempel SRAM (pr. byte). $V_{th}$

PRAM kan tilbyde markant højere ydeevne i områder, der kræver hurtig skrivning, på grund af det faktum, at hukommelseselementer kan skiftes hurtigere, og også på grund af det faktum, at værdien af individuelle bits kan ændres til 1 eller 0 uden først at slette hele blokken af celler. Den høje ydeevne af PRAM, som er tusind gange hurtigere end konventionelle harddiske, gør den yderst interessant med hensyn til ikke-flygtig hukommelse, hvis ydeevne i øjeblikket er begrænset af adgangstid (hukommelse).

Derudover forårsager hver påføring af spænding irreversibel nedbrydning af flashhukommelsesceller. Når cellestørrelsen øges, øges programmeringsskaden på grund af den spænding, der kræves af programmet, som ikke ændres i henhold til dimensionaliteten af litografiprocessen. De fleste flash-enheder har en ressource på omkring 10.000-100.000 skrivecyklusser pr. sektor, og de fleste flash-controllere udfører belastningsbalancering for at fordele skriveoperationer på tværs af flere fysiske sektorer, så belastningen på hver enkelt sektor er lille.

PRAM-enheder nedbrydes også ved brug, men af andre årsager end flashhukommelse, og nedbrydningen er meget langsommere. En PRAM-enhed kan modstå omkring 100 millioner skrivecyklusser [3] . En PRAM-chips levetid er begrænset af mekanismer såsom nedbrydning på grund af udvidelse af GST ved opvarmning under programmering, forskydning af metaller (og andre materialer) og endnu uudforskede faktorer.

Flash-hukommelsesdele kan programmeres, før de loddes til kortet, eller kan endda købes forprogrammeret. Indholdet af PRAM går derimod tabt ved den høje temperatur, der kræves, når enheden loddes til kortet ( reflow-lodning eller bølgelodning ). Dette forringer enheden med hensyn til produktionsøkologi . Producenten, der bruger PRAM-delene, skal sørge for en mekanisme til programmering af PRAM-chipsene, der allerede er "i systemet", det vil sige efter at de er loddet til kortet.

De specielle porte, der bruges i flashhukommelsen, tillader ladning (elektroner) at "lække" over tid, hvilket forårsager datakorruption og tab. Modstanden i PCM-hukommelseselementerne er mere stabil; ved en normal driftstemperatur på 85°C forventes datalagring at vare mere end 300 år [4] .

Ved omhyggeligt at justere mængden af opladning, der er lagret på porten, kan flash-enheder gemme flere (normalt to) bits i hver fysisk celle. Dette fordobler effektivt tætheden af hukommelsen, hvilket reducerer omkostningerne. PRAM-enheder lagrede oprindeligt kun én bit pr. celle, men de seneste fremskridt fra Intel har omgået dette problem.

Fordi flash-enheder bruger elektronretention til at lagre information, er de modtagelige for datakorruption på grund af stråling, hvilket gør dem uegnede til rum- og militærapplikationer. PRAM udviser højere modstand mod stråling.

PRAM-cellekontakter kan bruge en bred vifte af enheder: dioder , bipolære transistorer eller N-MOS- transistorer. Brugen af en diode eller bipolær transistor giver den højeste mængde strøm for en given cellestørrelse. Et problem med at bruge en diode opstår imidlertid fra parasitære strømme i naboceller samt højere spændingskrav. Chalcogenidernes modstand skal øges, hvilket medfører brug af en diode, da driftsspændingen skal være et godt stykke over 1 V for at sikre tilstrækkelig strøm fra dioden. Den måske vigtigste fordel ved at bruge et array af diodebaserede switche (især til store arrays) er den absolutte tendens til, at strømmen bløder tilbage fra de ekstra bitlinjer. I transistorarrays er det kun de ønskede bitlinjer, der tillader ladningen at dræne. Forskelle i ladningsdrænet svinger med flere størrelsesordener. Et yderligere problem med skalering under 40 nm er effekten af visse urenheder, da koblingen af p-n-typen reducerer effektområdet markant.

2000 og efter

I august 2004 licenserede Nanochip PRAM-teknologi til brug i lagerenheder baseret på MEMS - elektroder (mikroelektromekaniske systemer). Disse enheder er ikke solid state. I modsætning hertil er en ret lille chalcogenid-belagt wafer placeret mellem mange (tusinder eller endda millioner) elektroder, der kan læse eller skrive til chalcogenidet. Hewlett-Packards micro-mover-teknologi muliggør waferpositionering inden for 3 nanometer, hvilket gør tætheder større end 1 terabit (128 GB) pr. kvadrattomme mulig, hvis teknologien forbedres. Hovedideen er at reducere antallet af forbindelser loddet på chippen; i stedet for forbindelser til hver celle, placeres cellerne tættere sammen og aflæses af ladningen, der passerer gennem MEMS-elektroderne, der fungerer som forbindelser. En sådan løsning bærer en idé, der ligner IBM's Tusindben -teknologi.

I september 2006 annoncerede Samsung en prototype på 512 megabit (64 Mb) enhed baseret på en switching diode [5] . En sådan meddelelse var ret uventet, og den tiltrak sig øget opmærksomhed på grund af dens gennemsigtige høje tæthed. Cellestørrelsen af prototypen var kun 46,7 nm, hvilket var mindre end kommercielle flash-enheder, der var tilgængelige på det tidspunkt. Selvom der var tilgængelige flash-enheder med højere kapacitet (64 Gbps - 8 Gb, lige på markedet), havde de andre teknologier, der konkurrerede om at erstatte flash, lavere tætheder (dvs. større cellestørrelser). For eksempel ved produktion af MRAM - og FRAM -hukommelse var det muligt at opnå 4 Mbps. Den høje tæthed af Samsungs PRAM-hukommelsesprototyper tilbød et garanteret liv som en konkurrent til flashhukommelse, ikke begrænset til en nicherolle som andre teknologier. PRAM ser yderst attraktiv ud som en potentiel erstatning for NOR-flash , som typisk har haltet bagefter kapaciteten af NAND-flash (den seneste udvikling inden for NAND-kapacitet ramte 512 Mbit-milepælen for noget tid siden). NOR flash tilbyder samme tæthed som Samsungs PRAM-prototyper og tilbyder allerede bitadresserbarhed (i modsætning til NAND, som tilgår hukommelse gennem "banker" med mange bytes).

Meddelelsen fra Samsung blev efterfulgt af en fælles meddelelse fra Intel og STMicroelectronics , som demonstrerede deres egne PCM-enheder på Intel Developer Forum i oktober 2006 [6] . De viste en 128-Mbit prøve, der for nylig er startet produktion på STMicroelectronics' R&D facilitet i Agrate, Italien. Intel hævdede, at enhederne kun var demonstratorer, men de forventede, at prototypeproduktionen ville begynde inden for et par måneder, og bred kommerciel produktion inden for et par år. Intel, at dømme efter deres udtalelser, målrettede sine PCM-produkter mod samme markedsområde som Samsung.

PCM er en meget lovende teknologi fra et militær- og rumfartsperspektiv, hvor stråling gør ubrugelig standard ikke-flygtig hukommelse som f.eks. flash-hukommelse. PCM-enheder blev introduceret af det militære selskab BAE Systems , kaldet C-RAM, og blev hævdet at have fremragende modstandsdygtighed over for stråling ( hærdning ved bestråling ) og immunitet over for latchup - effekten. Hvad mere er, hævder BAE omkring 108 skrivecyklusser, hvilket gør det til en konkurrent til at erstatte PROM- og EEPROM -chips i rumsystemer.

I februar 2008 demonstrerede Intel-ingeniører sammen med STMicroelectronics den første prototype af et multi -level PCM-array. Prototypen kunne lagre to logiske bits pr. fysisk celle, det vil sige, at 256 Mb effektiv hukommelse blev lagret i 128 Mb fysisk hukommelse. Dette betyder, at i stedet for de sædvanlige to tilstande - fuldstændig amorfe eller fuldstændig krystallinske - tilføjes yderligere to mellemliggende tilstande, der repræsenterer forskellige grader af delvis krystallisering, hvilket gør det muligt at lagre bitarrays to gange i det samme fysiske område på chippen [2] .

Også i februar 2008 begyndte Intel og STMicroelectronics at sende prototyper af deres første PCM-produkt til rådighed for kunderne. Produktet, fremstillet ved hjælp af 90 nm-processen, som besidder 128 Mbps (16 Mb), blev kaldt Alverstone ( Alverstone ) [7] .

I anden halvdel af 2010'erne er Intel Optane PRAM-drev ( 3D XPoint ) [8] [9] [10] kommercielt tilgængelige . I foråret 2021 annoncerede Intels strategiske partner på dette område, Micron , at de fuldstændig havde mistet troen på muligheden for kommerciel succes for 3D XPoint, og solgte virksomheden, der producerede den; køberen af anlægget, Texas Instruments, konverterer det fuldstændigt til andre produkter [11]

Problemer

Det største problem med faseændringshukommelse er kravet om programmerbar ladningstæthed (>10 7 A/cm², sammenlignet med 10 5 −10 6 A/cm² for konventionelle transistorer eller dioder ) i den aktive fase. På grund af dette bliver indflydelsesområdet meget mindre end kontroltransistorens. På grund af denne forskel i strukturen af faseændringshukommelsen er man nødt til at pakke et varmere og mere tilfældigt faseændringsmateriale i litografiske dimensioner. På grund af dette taber omkostningerne ved processen i pris sammenlignet med flash-hukommelse. Således overstiger omkostningerne ved 3D XPoint prisen på den sædvanlige TLC 3D NAND med omkring en størrelsesorden, og ifølge tilgængelige estimater koster produktionen af 1 GB sådan hukommelse mindst $ 0,5, hvilket ikke tillader Intel at komme ind massemarkedet med drev baseret på sådan hukommelse (dog fandt virksomheden en vej ud i hybride forbrugerprodukter, der er bygget samtidigt på 3D XPoint og QLC 3D NAND) [11] .

Kontakten mellem det varme område af faseovergangen og det tilstødende dielektrikum er et andet af de uløste grundlæggende spørgsmål. Dielektrikumet kan tillade ladning at lække, når temperaturen stiger, eller det kan bryde væk fra faseændringsmaterialet, når det udvider sig på forskellige stadier.

Faseændringshukommelse er meget modtagelig for vilkårlige faseændringer. Dette skyldes hovedsageligt, at faseovergangen er en temperaturstyret proces sammenlignet med en elektronisk. Termiske forhold, der tillader hurtig krystallisation, bør ikke være tæt på steady state-betingelser, såsom stuetemperatur. Ellers vil dataopbevaring ikke vare længe. Med en passende krystallisationsaktiveringsenergi er det muligt at opnå hurtig krystallisation ved at indstille passende betingelser, mens der under normale forhold vil forekomme meget langsom krystallisation.

Det sandsynligvis største problem med faseændringshukommelse er den gradvise ændring i modstand og tærskelspænding over tid [12] . Modstanden i den amorfe tilstand stiger langsomt ifølge magtloven (~t 0,1 ). Dette begrænser i nogen grad muligheden for at bruge multi-level hukommelsesceller (herefter vil den underliggende mellemtilstand blive forvekslet med den øvre mellemtilstand) og kan bringe standard to-fase drift i fare, hvis tærskelspændingen overstiger den angivne værdi.

Noter