Гляненко Современная електронная елементная база в приборах 2012

ГЛАВА 4. НОВЫЕ ПОДХОДЫ К СОЗДАНИЮ ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМОЙ ПАМЯТИ

По некоторым оценкам специалистов, в 2009 г. рынок устройств энергонезависимой памяти составил приблизительно 20 млрд долларов, практически 100 % из которых приходятся на память типа Flash. Есть ли альтернатива этой технологии, которая во многих применениях является “узким” местом, не обеспечивая либо высокого быстродействия, характерного для динамических оператив-

ных запоминающих устройств (DRAM – Dynamic Random Access Memory), либо не удовлетворяющая по показателям стойкости к каким-либо внешним воздействиям?

Технология, которая реально сможет вытеснить Flash и предоставит быстродействие DRAM, принесет большие дивиденды своим владельцам. Поэтому усилия в развитие новых технологий энергонезависимой памяти вкладываются немалые.

Давайте сначала рассмотрим физические принципы, на основе которых либо уже созданы устройства энергонезависимой памяти, либо могут быть разработаны.

Flash-память

Рис. 4.1. Flash основана на использовании “плавающего” затвора

Ячейка Flash-памяти представляет собой модифицированный МОП-транзистор. Модификация заключается в том, что между управляющим затвором и каналом помещен дополнительный, “плавающий”, затвор и слой туннельного окисла под ним. При за-

182

писи электроны, под действием высокого напряжения (обычно 5 – 12 В), инжектируются через туннельный оксид в область плавающего затвора и захватываются им. При стирании, также под действием высокого напряжения, но обратной полярности, электроны удаляются из плавающего затвора обратно тем же путем. При чтении на линию слова подается управляющий потенциал и проверяется наличие тока через сток в битовую линию. Если в плавающем затворе есть захваченные электроны, потенциал управляющего затвора (линии слова) экранируется ими, транзистор остается закрытым, и регистрируется логический “0”. Если плавающий затвор свободен от электронов, транзистор открывается и на битовой линии регистрируется логическая “1”.

Магниторезистивные запоминающие устройства

Рис. 4.2. MRAM работает на магнитных доменах

Магниторезистивная память с произвольным доступом (MRAM) использует ферромагнетизм для хранения данных. Каждый атом ферромагнитного материала представляет собой микромагнит. Магнитомягкий ферромагнетик может менять вектор намагниченности под действием внешнего магнитного поля и сохранять его очень долго. Постоянный ферромагнетик сохраняет вектор магнитного поля вне зависимости от внешних полей. В ячейке MRAM ферромагнитные слои разделены магниторезистивным материалом, имеющим разное электрическое сопротивление при совпадающих

183

или разнонаправленных векторах полей ферромагнетиков. При чтении измеряется сопротивление туннельного перехода. Если векторы полей ферромагнитных доменов параллельны, то сопротивление не велико, и это интерпретируется как двоичная “1”. Когда векторы антипараллельны, сопротивление перехода увеличивается на 40–50 %, и это обозначает “0”.

Для записи в ячейку необходимо намагнитить магнитомягкий слой внешним магнитным полем.

Для этого по битовой линии пропускают ток. Направление намагниченности задается направлением тока.

Халькогенидные запоминающие устройства

Рис. 4.3. OUM запоминает, когда остывает

Принцип действия “халькогенидной” ячейки памяти (CRAM) очень прост: тонкая пленка вещества, описываемого химической формулой Ge2Sb2Te5, располагается между двумя электродами. В зависимости от фазы состояния вещества (аморфная или поликристаллическая) измеренное сопротивление пленки может отличаться на порядки. Универсальная память от Ovonix (OUM) основана на

184

уникальном свойстве халькогенидных сплавов — принимать два устойчивых состояния — аморфное или поликристаллическое — в зависимости от условий нагревания. Нагрев сплава до 600 °С приводит его в аморфное состояние. Если же сплав выдержать несколько дольше при более низкой температуре, он примет поликристаллическую фазу. В аморфном и поликристаллическом состоянии сплав имеет существенно различающееся электрическое сопротивление. Величина сопротивления используется для регистрации “0” или “1” при чтении.

Ферроэлектрические запоминающие устройства

Рис. 4.4. FRAM хранит информацию в поляризованных ферроэлектриках

Работа ферроэлектрической памяти с произвольным доступом (FRAM) основана на способности ферроэлектрических конденсаторов сохранять заряд очень долго — более 10 лет без потребности в регенерации. В остальном FRAM работает почти так же, как динамическая память (DRAM). Полярность заряда конденсатора интерпретируется как двоичная информация — “0” или “1”. При чтении напряжение считывания прикладывается между словной и битовой линиями, затем на шину питания ячеек подается короткий импульс. Если полярность заряда конденсатора совпадает с поляр-

185

ностью напряжения, приложенного между линиями слова и бита, то на битовую линию проходит импульс тока очень небольшой величины, обозначающий логический “0”. Если полярности противоположны, импульс тока существенно больше, что интерпретируется как логическая “1”.

В настоящее время по альтернативным технологиям выпускаются два типа энергонезависимых устройств памяти – FRAM и CRAM.

Компания Ramtron (США), автор технологии энергонезависимой ферроэлектрической памяти с произвольным доступом (FRAM), производит четыре основных семейства продуктов, основанных на технологии FRAM:

•микросхемы памяти;

•многофункциональные ИС (многофункциональные устройства

сFRAM-памятью для совместной работы с процессором и интегрированные сопроцессоры с FRAM-памятью);

•микроконтроллеры 8051 с FRAM-памятью;

•FRAM-триггеры.

Отдельного рассмотрения заслуживает Event Data Recorder FM6124 — специализированная многофункциональная ИС для регистрации внешних событий и времени их возникновения по 12 независимым каналам.

Ramtron уже внедрил в массовое производство технологию с размером элементов 130 нанометров и стековой архитектурой. За счет размещения ферроэлектрического конденсатора непосредственно над стоком МОП-ключа, а не в одной плоскости с ним, удалось уменьшить размер ячейки памяти до 0,71 мкм2, С использованием этого достижения Ramtron планирует производить в скором времени микросхемы памяти с объемом массива до 8–16 Мбит. Стековая архитектура позволяет создавать узлы ИС, более компактные в проекции на плоскость. Эта архитектура также более технологична в производстве именно FRAM.

Помимо широкой номенклатуры изделий память, многофункциональные ИС, микроконтроллеры, FRAM-триггеры со стандартным напряжением питания +5 В, в настоящее время освоен выпуск FRAM-компонент с пониженным напряжением питания. Характеристики некоторых микросхем памяти с пониженным напряжением питания приведены в табл. 4.1. В семействе микросхем памяти FRAM Ramtron выпускает ИС с интерфейсами 8/16 бит, I2C и SPI.

186

active104, разработанных немецкой компанией fimicro) на FRAM возложена функция хранения часто изменяемых параметров коммуникационных каналов, фреймов данных обмена и программных модулей операционной системы. Возможность сохранения данных “на лету” при внезапном прерывании питания обеспечивает высокую скорость восстановления каналов и предотвращение потери информации. В этой разработке FRAM заменила собой одновременно три типа полупроводниковой памяти — Flash, SRAM и оперативную память с батарейным питание BB-SRAM.

Следующей версией таких FRAM для применения в связи и телекоммуникациях, видимо, станут микросхемы со встроенной функцией криптографической защиты данных.

Что мы имеем в практическом плане по CRAM и MRAM– памяти?

Практически достигнутое в опытных образцах время кристаллизации составляет уже не более 50 нс, что позволяет говорить о сопоставимости скорости записи CRAM и статических ОЗУ (SRAM). Достигнутое количество циклов перезаписи одной ячейки без потери надежности уже сейчас составляет 108. Практическая реализация запоминающего элемента на вышеописанном принципе, включающая в себя управляемый нагреватель и измеритель сопротивления, разумеется, не проста. Можно смело утверждать, что изготовление массивов ячеек CRAM размером в единицы нанометров является одним из лучших достижений современной нанотехнологии.

Еще одна любопытная возможность халькогенидной технологии хранения информации заключается в создании не-двоичных систем памяти. Все привыкли, что бит может принимать только два значения — “0” и “1”, и современная цифровая схемотехника не предполагает иных вариантов. Безусловно, максимальная надежность хранения информации в ячейке CRAM достигается при полном переходе всего объема вещества в элементе из одной фазы в другую, однако поскольку информация — это фактически значение электрического сопротивления, то возможно создание элементов памяти с 3 и более состояниями, количество которых теоретически не ограничено. Так, например, в лаборатории Ovonix был создан устойчиво действующий элемент памяти, сохраняющий 10 возможных значений для одного бита за счет управляемого частичного перехода фазы в веществе наноячейки. Практического применения для этого способа хранения информации пока нет, но сам факт его

188

существования свидетельствует о том, что возможности увеличения плотности записи данных в единице объема отнюдь не исчерпаны.

Существенным преимуществом CRAM по сравнению с многими другими технологиями хранения информации является практически полная нечувствительность хранимой информации к электромагнитным полям, импульсам, ионизирующему облучению и другим факторам воздействия окружающей среды, что становится особенно важно для космического приборостроения и военных приложений.

Относительно скромные показатели по скорости записи и чтения (100 нс – гарантированное время доступа и 1000 нс – гарантированное время записи информации), а также по количеству циклов перезаписи (всего 100 000 циклов) в сочетании с колоссальной стойкостью к радиации и общей надежностью позволяют, тем не менее, говорить о безусловном прорыве в области схемотехники для космического приборостроения.

Действительно, как типичный представитель изделий, изготовленных по технологии R25, микросхемы энергонезависимой памяти CRAM обеспечивают:

•радиационную стойкость по накопленной дозе не менее 200 крад (до 1 Мрад в специальном исполнении);

•бесперебойное функционирование при кратковременном облучении интенсивностью до 2x107 рад/с;

•сохранение работоспособности после 50 нс импульсного облучения 1x1012 рад/с;

•стойкость к тяжелым заряженным частицам (ТЗЧ) с линейной передачей энергии (LET) > 120 МэВ·см2/мг;

•стойкость к нейтронному потоку до 1x1013 нейтронов на см2. Микросхемы CRAM выпускаются BAE Systems (США) в корпу-

сах flatpack c количеством выводов 40 и 84 и доступны в различных конфигурациях от 256 Kx8 до 512 Кx40, Также доступны варианты исполнения со встроенной системой коррекции ошибок (ЕСС), которая уменьшает полезный объем сохраняемой информации в два раза, но значительно повышает надежность хранения. Типичный ток потребления при записи на максимальной частоте составляет

35мА.

Развитием технологий MRAM энергонезависимой памяти зани-

маются несколько компаний, среди которых такие известные про-

189

изводители, как Freescale Semiconductor (бывшее подразделение корпорации Motorola), Cypress Semiconductor и некоторые другие.

Среди эксплуатационных характеристик не последнее место занимает энергопотребление. Несмотря на заявленную экономичность MRAM, компоненты, производимые этими компаниями, пока еще не отличаются высокой экономичностью.

В табл. 4.2 приведены некоторые параметры для наилучших, на взгляд авторов, представителей этого класса энергонезависимой памяти. В графе “Потребляемая мощность” приведена пиковая мощность потребления в режиме записи.

Таблица 4.2

Параметры микросхем памяти типа MRAM

Таким образом, уже сейчас доступны альтернативные заменители энергонезависимой памяти типа Flash, особенно важные в таких направлениях исследований, как космос и в различных отраслях, требующих построения высоконадежных систем и приборов.

190