Fasändringsminne

Fasförändringsminne  är ett datorminne baserat på en fasövergång, även känt som PCM , PRAM , PCRAM , Ovonic Unified Memory , Chalcogenide RAM , C-RAM  är en typ av icke-flyktigt minne (NVRAM) baserat på egenskaper hos kalkogenider , som, när temperaturen ändras, kan "växla" mellan två tillstånd: kristallint och amorft . I den senaste utvecklingen[ vad? ] kunde lägga till ytterligare två tillstånd, vilket fördubblade chipsens informationskapacitet , allt annat lika.

Räknar[ av vem? ] en av de viktigaste teknologierna som konkurrerar med flashminnet , och tillhandahåller lösningar på ett antal oöverstigliga problem i det senare.

Bakgrund

Kalkogenidens egenskaper för potentiella tillämpningar i minnet utforskades först av Stanford Ovshinsky från Energy Conversion Devices på 1960-talet. 1970, i septembernumret av Electronics , publicerade Gordon Moore  , en av grundarna av Intel  , en artikel som beskrev tekniken. Men kvaliteten på materialet och energiförbrukningen gjorde det inte möjligt för tekniken att användas kommersiellt. Långt senare kom det ett förnyat intresse för den här tekniken, såväl som forskning kring den, medan flash- och DRAM-minnesteknologier , enligt beräkningar, borde ha haft problem med skalning med neddragning av chiplitografi .

De kristallina och amorfa tillstånden av kalkogenid är fundamentalt olika i elektriskt motstånd , och detta är grunden för informationslagring.

Det amorfa tillståndet, som har en hög resistans, används för att representera till exempel en binär 0, och det kristallina tillståndet, som har en låg resistivitet, kodar en logisk 1.

Kalkogenid är samma material som används i omskrivbara optiska medier (som CD-RW och DVD-RW ). I sådana medier är materialets optiska egenskaper mer kontrollerbara än dess elektriska resistans, eftersom kalkogenidens brytningsindex också varierar med materialets tillstånd.

Även om PRAM ännu inte har nått kommersiell framgång inom hemelektronik använder nästan alla prototyper kalkogenider i kombination med germanium , antimon och tellur ( GeSbTe ), förkortat GST. Den stökiometriska sammansättningen eller förhållandena av Ge:Sb:Te-element är 2:2:5. När GST värms upp till en hög temperatur (över 600 °C), förlorar dess kalkogenidkomponent sin kristallstruktur. När det kyls förvandlas det till en amorf glasliknande form, och dess elektriska motstånd ökar. När kalkogeniden värms upp till en temperatur över dess kristallisationspunkt , men under dess smältpunkt , ändras den till ett kristallint tillstånd med väsentligt lägre motstånd. Tiden för fullständig övergång till denna fas beror på temperaturen. De kallare delarna av kalkogeniden tar längre tid att kristallisera, och de överhettade delarna kan smälta. I allmänhet är den använda kristallisationstiden i storleksordningen 100 ns [1] . Detta är något längre än konventionellt flyktigt minne, såsom moderna DRAM- chips, vars kopplingstid är i storleksordningen två nanosekunder. Men i januari 2006 patenterade Samsung Electronics Corporation en teknik som ger fem nanosekunders kopplingstider i PRAM.

Nyare forskning av Intel och ST Microelectronics har gjort det möjligt att kontrollera materialets tillstånd mer noggrant, vilket gör att det kan omvandlas till ett av fyra tillstånd: två är amorfa och kristallina och två nya tillstånd (delvis kristallina). Vart och ett av dessa tillstånd har sina egna elektriska egenskaper som kan läsas, vilket gör att en cell kan lagra två bitar, vilket fördubblar minnestätheten [2] .

PRAM och Flash

Den mest intressanta frågan är kopplingstiden som PRAM och andra flashminnesersättningar tar. Temperaturkänsligheten hos PRAM är kanske den mest framträdande frågan som kan kräva förändringar i tillverkningsprocessen för leverantörer som är intresserade av tekniken.

Flash-minne fungerar genom att ändra nivån av laddning ( elektroner ) som lagras internt bakom grinden på en MOSFET . Grinden är byggd med en speciell "stack" utformad för att hålla laddningen (antingen på den flytande grinden eller i isolatorns "fällor" ). Närvaron av laddning inuti grinden ändrar transistorns tröskelspänning , vilket gör den högre eller lägre, vilket betyder 1 eller 0, till exempel. Att ändra tillståndet på bitarna kräver att den lagrade laddningen återställs, vilket i sin tur kräver en relativt hög spänning för att "dra ut" elektronerna från den flytande grinden. Ett sådant spänningshopp tillhandahålls av laddningspumpning , vilket kräver lite tid att ackumulera energi. Den totala skrivtiden för vanliga flashenheter är i storleksordningen 1ms (per datablock), vilket är cirka 100 000 gånger den typiska 10ns lästiden för SRAM, till exempel (per byte).

PRAM kan erbjuda betydligt högre prestanda i områden som kräver snabb skrivning, på grund av att minneselement kan bytas snabbare, och även på grund av att värdet på enskilda bitar kan ändras till 1 eller 0 utan att först radera hela blocket av celler. Den höga prestandan hos PRAM, som är tusen gånger snabbare än konventionella hårddiskar, gör den extremt intressant när det gäller icke-flyktigt minne, vars prestanda för närvarande är begränsad av åtkomsttid (minne).

Dessutom orsakar varje applicering av spänning irreversibel nedbrytning av flashminnesceller. När cellstorleken ökar, ökar programmeringsskadan på grund av den spänning som krävs av programmet, som inte ändras beroende på dimensionaliteten hos litografiprocessen. De flesta flashenheter har en resurs på cirka 10 000-100 000 skrivcykler per sektor, och de flesta flashkontroller utför lastbalansering för att fördela skrivoperationer över flera fysiska sektorer, så att belastningen på varje enskild sektor är liten.

PRAM-enheter försämras också vid användning, men av andra skäl än flashminne, och nedbrytningen är mycket långsammare. En PRAM-enhet tål cirka 100 miljoner skrivcykler [3] . Livslängden för ett PRAM-chip begränsas av mekanismer som nedbrytning på grund av expansion av GST vid upphettning under programmering, förskjutning av metaller (och andra material) och ännu outforskade faktorer.

Flashminnesdelar kan programmeras innan de löds fast på kortet, eller kan till och med köpas förprogrammerade. Innehållet i PRAM går däremot förlorat vid den höga temperatur som krävs när enheten löds fast på kortet ( återflödeslödning eller våglödning ). Detta försämrar enheten när det gäller produktionsekologi . Tillverkaren som använder PRAM-delarna måste tillhandahålla en mekanism för programmering av PRAM-chipsen som redan finns "i systemet", det vill säga efter att de är lödda till kortet.

De speciella grindarna som används i flashminnet tillåter laddning (elektroner) att "läcka" över tid, vilket orsakar datakorruption och förlust. Resistansen i PCM-minneselementen är mer stabil; vid en normal drifttemperatur på 85°C förväntas datalagring pågå i mer än 300 år [4] .

Genom att noggrant justera mängden laddning som lagras på grinden kan blixtenheter lagra flera (vanligtvis två) bitar i varje fysisk cell. Detta fördubblar effektivt minnets densitet, vilket minskar kostnaden. PRAM-enheter lagrade ursprungligen bara en bit per cell, men de senaste framstegen från Intel har kringgått detta problem.

Eftersom flashenheter använder elektronretention för att lagra information är de känsliga för datakorruption på grund av strålning, vilket gör dem olämpliga för rymd- och militära tillämpningar. PRAM uppvisar högre motståndskraft mot strålning.

PRAM-cellomkopplare kan använda ett brett utbud av enheter: dioder , bipolära transistorer eller N-MOS- transistorer. Användningen av en diod eller bipolär transistor ger den högsta mängden ström för en given cellstorlek. Ett problem med att använda en diod uppstår emellertid från parasitiska strömmar i närliggande celler, såväl som högre spänningskrav. Kalkogenidernas resistans måste ökas, vilket medför användning av en diod, eftersom driftspänningen måste vara långt över 1 V för att säkerställa tillräckligt strömflöde från dioden. Den kanske viktigaste fördelen med att använda en array av diodbaserade omkopplare (särskilt för stora arrayer) är den absoluta tendensen för ström att blöda tillbaka från de extra bitlinjerna. I transistormatriser tillåter endast de önskade bitlinjerna laddning att tömmas. Skillnader i laddningsavlopp fluktuerar med flera storleksordningar. Ett ytterligare problem med skalning under 40 nm är effekten av vissa föroreningar, eftersom kopplingen av p-n-typ minskar effektområdet avsevärt.

2000 och efter

I augusti 2004 licensierade Nanochip PRAM-teknik för användning i lagringsenheter baserade på MEMS- elektroder (mikroelektromekaniska system). Dessa enheter är inte solid state. Däremot placeras en ganska liten kalkogenidbelagd wafer mellan många (tusentals eller till och med miljoner) elektroder som kan läsa eller skriva till kalkogeniden. Hewlett-Packards micro-mover-teknik möjliggör waferpositionering inom 3 nanometer, vilket gör densiteter större än 1 terabit (128 GB) per kvadrattum möjlig om tekniken förbättras. Huvudtanken är att minska antalet anslutningar lödda på chipet; istället för anslutningar för varje cell placeras cellerna närmare varandra och avläses av laddningen som passerar genom MEMS-elektroderna, som fungerar som anslutningar. En sådan lösning bär på en idé som liknar IBMs tusenfotingsteknologi .

I september 2006 tillkännagav Samsung en prototyp av 512 megabit (64 Mb) enhet baserad på en omkopplingsdiod [5] . Ett sådant tillkännagivande var ganska oväntat, och det väckte ökad uppmärksamhet på grund av dess transparenta höga densitet. Cellstorleken på prototypen var endast 46,7 nm, vilket var mindre än kommersiella blixtenheter som var tillgängliga vid den tiden. Även om det fanns blixtenheter med högre kapacitet tillgängliga (64 Gbps - 8 Gb, precis på marknaden), hade de andra teknikerna som konkurrerade om att ersätta blixten lägre densiteter (dvs. större cellstorlekar). Till exempel, vid produktion av MRAM - och FRAM -minne, var det möjligt att uppnå 4 Mbps. Den höga densiteten hos Samsungs PRAM-minnesprototyper erbjöd ett garanterat liv som en konkurrent till flashminnet, inte begränsat till en nischroll som andra teknologier. PRAM ser extremt attraktiv ut som en potentiell ersättning för NOR-flash , som vanligtvis har släpat efter kapaciteten för NAND-flash (den senaste utvecklingen av NAND-kapacitet nådde milstolpen på 512 Mbit för en tid sedan). NOR-flash erbjuder liknande densitet som Samsungs PRAM-prototyper och erbjuder redan bitadresserbarhet (till skillnad från NAND, som kommer åt minnet genom "banker" med många byte).

Tillkännagivandet från Samsung följdes av ett gemensamt tillkännagivande från Intel och STMicroelectronics , som demonstrerade sina egna PCM-enheter på Intel Developer Forum i oktober 2006 [6] . De visade ett 128-Mbit prov som nyligen har startat produktion vid STMicroelectronics FoU-anläggning i Agrate, Italien. Intel hävdade att enheterna bara var demonstratorer, men de förväntade sig att prototypproduktionen skulle börja inom några månader och bred kommersiell produktion inom några år. Intel, att döma av deras uttalanden, riktade sina PCM-produkter på samma marknadsområde som Samsung.

PCM är en mycket lovande teknologi ur ett militärt och rymdperspektiv, där strålning gör värdelöst standardminne som t.ex. flashminne. PCM-enheter introducerades av det militära företaget BAE Systems , kallat C-RAM, och påstods ha utmärkt motståndskraft mot strålning ( härdning genom bestrålning ) och immunitet mot latchup- effekten. Dessutom hävdar BAE ungefär 108 skrivcykler, vilket gör det till en utmanare att ersätta PROM- och EEPROM- chips i rymdsystem.

I februari 2008 demonstrerade Intels ingenjörer, tillsammans med STMicroelectronics, den första prototypen av en multi -level PCM-array. Prototypen kunde lagra två logiska bitar per fysisk cell, det vill säga 256 Mb effektivt minne lagrades i 128 Mb fysiskt minne. Detta innebär att istället för de vanliga två tillstånden - helt amorfa eller helt kristallina - läggs ytterligare två mellanliggande tillstånd till, representerande olika grader av partiell kristallisation, vilket gör att bitarrayer kan lagras två gånger i samma fysiska område på chipet [2] .

Också i februari 2008 började Intel och STMicroelectronics leverera prototyper av deras första PCM-produkt tillgängliga för kunder. Produkten, gjord med 90 nm-processen, med 128 Mbps (16 Mb), kallades Alverstone ( Alverstone ) [7] .

Under andra hälften av 2010 -talet finns Intel Optane PRAM-enheter ( 3D XPoint ) [8] [9] [10] kommersiellt tillgängliga . Under våren 2021 meddelade Intels strategiska partner inom detta område, Micron , att de helt hade tappat tron ​​på möjligheten till kommersiell framgång för 3D XPoint, och sålde företaget som producerade det; köparen av anläggningen, Texas Instruments, konverterar den helt till andra produkter [11]

Problem

Det största problemet med fasändringsminne är kravet på programmerbar laddningstäthet (>10 7 A/cm², jämfört med 10 5 −10 6 A/cm² för konventionella transistorer eller dioder ) i den aktiva fasen. På grund av detta blir inflytandeområdet mycket mindre än kontrolltransistorns. På grund av denna skillnad i strukturen hos fasförändringsminnet måste man packa in ett hetare och mer slumpmässigt fasförändringsmaterial i litografiska dimensioner. På grund av detta tappar kostnaden för processen i pris jämfört med flashminne. Således överstiger kostnaden för 3D XPoint kostnaden för den vanliga TLC 3D NAND med ungefär en storleksordning och enligt tillgängliga uppskattningar kostar produktionen av 1 GB sådant minne minst $ 0,5, vilket inte tillåter Intel att komma in massmarknaden med enheter baserade på sådant minne (dock hittade företaget en väg ut i hybridkonsumentprodukter som är byggda samtidigt på 3D XPoint och QLC 3D NAND) [11] .

Kontakten mellan fasövergångens heta område och närliggande dielektrikum är en annan av de olösta grundläggande frågorna. Dielektrikumet kan tillåta laddning att läcka när temperaturen stiger, eller så kan det bryta loss från fasförändringsmaterialet när det expanderar i olika stadier.

Fasändringsminne är mycket känsligt för godtyckliga fasförändringar. Detta beror främst på att fasövergången är en temperaturkontrollerad process jämfört med en elektronisk. Termiska förhållanden som tillåter snabb kristallisation bör inte vara nära stationära förhållanden, såsom rumstemperatur. Annars kommer datalagring inte att vara länge. Med en lämplig kristallisationsaktiveringsenergi är det möjligt att uppnå snabb kristallisation genom att ställa in lämpliga betingelser, medan mycket långsam kristallisation under normala förhållanden kommer att ske.

Det förmodligen största problemet med fasändringsminne är den gradvisa förändringen i resistans och tröskelspänning över tiden [12] . Motståndet i det amorfa tillståndet ökar långsamt enligt kraftlagen (~t 0,1 ). Detta begränsar något möjligheten att använda flernivåminnesceller (hädanefter kommer det underliggande mellantillståndet att förväxlas med det övre mellantillståndet) och kan äventyra standard tvåfasdrift om tröskelspänningen överstiger det angivna värdet.

Anteckningar

  1. ↑ H. Horii et al., 2003 Symposium on VLSI Technology, 177-178 (2003).
  2. ↑ 1 2 Ett minnesgenombrott arkiverat 26 maj 2009 på Wayback Machine , Kate Greene, Technology Review, 2008-04-04
  3. ↑ Intel tar prov på minne för fasförändring i år (länk ej tillgänglig) . Tillträdesdatum: 17 december 2009. Arkiverad från originalet 23 mars 2007. 
  4. ↑ Pirovano, A. Redaelli, A. Pellizzer, F. Ottogalli, F. Tosi, M. Ielmini, D. Lacaita, AL Bez, R. Tillförlitlighetsstudie av icke-flyktiga fasförändringsminnen. IEEE-transaktioner på enhet och material tillförlitlighet. Sept. 2004, vol 4, nummer 3, sid. 422-427. ISSN 1530-4388.
  5. ↑ SAMSUNG introducerar nästa generation av icke-flyktigt minne - PRAM . Hämtad 17 december 2009. Arkiverad från originalet 15 november 2011.
  6. ↑ Intel förhandsgranskar potentiell ersättning för Flash
  7. ↑ Intel, STMicroelectronics levererar industrins första fasförändringsminnesprototyper (länk ej tillgänglig) . Numonyx (6 februari 2008). Hämtad 15 augusti 2008. Arkiverad från originalet 6 september 2008. 
  8. ↑ Intel Optane SSD DC P4800X 750GB praktisk recension Arkiverad 1 december 2017 på Wayback Machine // anandtech.com
  9. ↑ Intel 3D XPoint Memory Die Borttagen från Intel Optane™ PCM (Phase Change Memory) Arkiverad 1 december 2017 på Wayback Machine // techinsights.com
  10. ↑ Väljarelement för Intel Optane XPoint-minne arkiverade 1 december 2017 på Wayback Machine // techinsights.com
  11. ↑ 1 2 Resultat av 2021: SSD-enheter - Vad händer med 3D XPoint Arkiverad 16 januari 2022 på Wayback Machine // 3DNews , 14 januari 2022
  12. ↑ D. Ielmini et al., IEEE Trans. electrondev. vol. 54, 308-315 (2007).

Länkar

Resurser och webbplatser Nyheter och pressmeddelanden