Майбутні технології пам'яті: FeRAM зсередини

Майбутні технології пам'яті: FeRAM зсередини


Автор: Такієв А.С



Вступ

Оперативна пам'ять - один з базових компонентів комп'ютера, життєво необхідний йому з самого початку комп'ютерної ери. Пам'ять, як невід'ємний атрибут архітектури комп'ютерних обчислювальних систем був проголошений ще в той час, коли сам комп'ютер був лише на папері. Реалізація оперативної пам'яті, перенесення її з теоретичних начерків у практичне рішення - воістину була найскладнішим завданням, з яким зіткнулися інженери тих років. Спочатку, коли комп'ютери були великими, а програми маленькими, оперативна пам'ять являла собою ферромагнітні кільця, нанизані на перехрещувані прути. Ця пам'ять при всій своїй сміховинній ємності в кілька сотень байт (при розмірі в шафу) мала цінну властивість - вона була енергонезалежною і зберігала дані і після вимкнення комп'ютера. Прогрес йшов. У гонитві за обсягами і швидкодією для виробництва оперативної пам'яті стали використовувати лампи, а надалі і транзистори з конденсаторами. На транзисторах розвиток пам'яті зупинився надовго, рухаючись лише шляхом зменшення транзисторних осередків. На даний момент основним типом пам'яті є пам'ять типу DRAM, комірка якої складається з транзистора з конденсатором (1Т/1С).

Пам'ять набула високої швидкості, стала компактною і відносно дешевою, але втратила енергонезалежність. До давнього часу це здавалося не настільки великою втратою - адже комп'ютер при роботі завжди включений в мережу, є маса накопичувачів на магнітних і оптичних носіях - не страшно, якщо після вимикання дані пропадуть з ОЗУ, при наступному завантаженні їх рахують з носіїв в пам'ять, яка вимагає постійної перезарядки. Так було до появи пристроїв, що вимагають енергонезалежної довготривалої пам'яті, яка до того ж могла б виконувати функції ОЗУ. Хоча не так, правильніше було б сказати - до вибухоподібної появи величезної кількості різноманітних пристроїв... Подивіться на 90-ті роки минулого століття. Тисячі і тисячі цих пристроїв увійшли в наш побут: цифрові фотоапарати і відеокамери, налагоджені комп'ютери, цифрові диктофони і аудіоплеєри, стільникові телефони і смартофони - всім їм потрібна пам'ять, здатна працювати тоді, коли вони вимкнені (а це велика частина часу), здатна зберігати дані при відключеному харчуванні якомога довше і при цьому настільки швидка, щоб виконувати Крім цієї Hi-Tech області подібна пам'ять стала б в нагоді і для звичайних персональних комп'ютерів, де останнім часом все більше потрібні носії інформації підвищеної надійності без рухомих частин. Уявіть собі PC без традиційного (і останнім часом абсолютно марного) 3,5 дюймового дисковода, який з миттєво завантажується ядром операційної системи, що знаходиться на подібному носії (з допоміжним жорстким диском для великих обсягів даних).

Попит на енергонезалежну пам'ять зростає. Все більше компаній інвестують значну частку коштів у розробку пам'яті саме з цими властивостями, поспішаючи увірватися на незайнятий ринок. У результаті розвиток технологій енергонезалежної пам'яті пішов кількома шляхами. Однією з перших була Flash пам'ять, яка завдяки ранньому старту набула широкого поширення. Не секрет, що корпорація AMD значну частку коштів заробляє не стільки завдяки процесорам сімейства Athlon, скільки, завдяки великим обсягам продажів саме чіпів Flash пам'яті (NOR-Flash). Але у Flash пам'яті крім достоїнств є і недоліки - повільна робота з даними і висока вартість, що змусило продовжувати розробки в цій області. Однією з таких розробок стала магніторезистивна пам'ять MRAM, розробка якої була фінансована компанією Infineon Technologies AG. MRAM вийшла вдаліше Flash за всіма параметрами, крім ціни, що змусило продовжувати пошуки. І ось тут, мабуть, згадавши вислів мудрих про те, що все нове - добре забуте старе і що історія (а з нею і прогрес) розвивається по спіралі, чиясь світла голова згадала про найдавнішу енергонезалежну пам'ять на ферромагнітних сердечниках. Згадала і подумала, а що якщо цю структуру поєднати з уже наявною динамічною пам'яттю і зменшити комірки до мікронних розмірів. В результаті з'явилася пам'ять звана FeRAM - Ferroelectric Random Access non-volatile Memory (сегнетоелектрична енергонезалежна пам'ять з довільним доступом до комірок), до розгляду якої ми і приступимо.

Звертаю вашу увагу на той факт, що в даній статті мова йде про наукомісткі технології, які використовують складні фізичні явища, тому без певних специфічних наукових термінів не обійтися, дані терміни ви зможете знайти в глосарії, наведеному в кінці статті.


Хімія FeRAM

Вперше працюючий зразок FeRAM був отриманий ще в 1992 році в лабораторіях компанії Symetrix. Відтоді ця область викликала пильну увагу з боку наукових кіл, а з 1996 року і кіл комерційних. Досить сказати, що з 1992 по 2002 рік по цій темі було видано понад 360 патентів, причому близько 120 патентів було видано тільки за останній рік. Це свідчить про все зростаючий інтерес до цієї ніші сегнетоелектриків і, головне, до його практичного використання.

Основним матеріалом для складових елементів, що використовуються в FeRAM, а це сегнетоелектричні транзистори (ferroelectric transistor) і конденсатори (ferroelectric capacitor) володіють до того ж змінними ферромагнітними властивостями, є змішані поліметалеві оксиди, спекаємні Найбільш поширеним є сімейство PZT (Perovskite lead zirconate titanate) із загальною формулою Pb (ZrxTi1-x) O3. Дослідження властивостей даних з'єднань на предмет їх сегнетоелектричної активності проводилися компанією Ramtron, яка запатентувала кілька різновидів FeRAM, що базуються на цій групі з'єднань. Згодом ліцензію на ці розробки купила компанія Toshiba - один з найбільших світових виробників FeRAM на даний момент.

До основи PZT можуть додаватися «» додатки з різних металів і їх оксидів, наприклад: IrO2, Pt, Au, Ag і так далі. Невеликі домішки цих добавок можуть істотно впливати на властивості PZT як в позитивну, так і в негативну область, дослідження трудомістки - потрібно зробити сотні дослідів, щоб вивести загальні закономірності. В даний час ведуться активні пошуки з підбору матеріалів володіють найкращими властивостями для створення конденсаторів і транзисторів на базі ферромагнітних сегнетоелектриків.

Процес запису/читання для PZT можна зобразити так:

При дії позитивного електричного заряду відбувається позитивна поляризація сегнетоелектрика, результатом якої є перехід у стан відповідний значенню «» 0 «». При дії від'ємного електричного заряду відбувається зворотний перехід, що відповідає значенню «» 1 «». При цих переходах матеріал сегнетоелектрика змінює свої фізичні властивості, змінює свої властивості і елемент, який складається з цього з'єднання. Виникає петля гістерезису, в результаті стану "" 0 "" і "1" "за енергетичним значенням далеко рознесені, що дозволяє провести їх однозначну ідентифікацію. Ось як виглядає петля гістерезису для ферромагнітного сегнетоелектричного конденсатора (схематичний вигляд):

де Qr - залишковий заряд, Qs - заряд насичення, Vc - коерцівна напруга, CFE - позначення фероактивного сегнетоелектричного конденсатора на принциповій схемі.

Крім PZT яскраво вираженим фероактивним сегнетоелектриком є SBT, з формулою SrBi2Ta2O9. Основні роботи з цим матеріалом велися компанією Symetrix, яка згодом продала ліцензії компаніям Matsushita, NEC, Siemens, Motorola, Hynix і Micron. Компанія Infineon Technologies AG незалежним шляхом прийшла до SBT і так само є власником патентів на пам'ять FeRAM на базі цього сегнетоелектрика.

Як бачите процес переходу до стану "1" і "0" "повністю подібні до PZT. Зрозуміло, обидва матеріали відрізняються як за своїми фізико-хімічними властивостями, так і за параметрами Qr, Qs і Vc, які цікавлять дослідників в першу чергу, але головне, що сама логіка переходу "" 1 "" - "0" "у обох матеріалів однакова, що дозволяє при конструюванні комірок пам'яті застосовувати однаковий підхід.

У порівнянні з PZT, SBT краще за такими параметрами як втома матеріалу (fatigue), і "відбиток" "заряду (imprint), тобто схильність сегнетоелектрика до остаточного переходу в тільки один стан при тривалому перебуванні в ньому.

Зате технології виробництва PZT відомі давно, добре відпрацьовані і на даний момент є найбільш дешевими з самим мінімальним розміром комірки. Після рішення Infineon Technologies AG і Toshiba про спільну розробку і просування FeRAM, інженери компаній здобули свободу від ліцензійних бар'єрів і мають доступ до обох груп цих перспективних матеріалів.

 Наступна сторінка

 ⇣ Зміст

  • Сторінка 1 - Стр.1 - Хімія FeRAM
  • Сторінка 2 - Стр.2 - Фізика і структура FeRAM
  • Сторінка 3 - Стр.3 - Майбутнє FeRAM

 Коментувати () 

Якщо Ви помітили помилку - виділіть її мишею і натисніть CTRL + ENTER.

Матеріали за темою

Огляд процесорів AMD Ryzen 9 3900XT і Ryzen 7 3800XT: гримаси оптимізації

Огляд процесора Intel Core i7-10700K: Core i9-9900K на новий лад

Огляд процесора Intel Core i9-10900K: Skylake пішов на п'ятий термін

Огляд процесорів Ryzen 3 3300X і Ryzen 3 3100: як Core i7-7700K, тільки дешево

Бюджетні процесори для офісних систем: що вибрати

Core i5-10600K проти Ryzen 5 3600XT: дві дороги в оптимум

"