Будущее компьютерной памяти
Введение
Некоторое время назад сложно было поверить, что огромная коллекция музыки может поместиться на одном небольшом устройстве, едва превышающем по размерам ладонь. То же относится к тысячам снимков в высоком разрешении и карманным фотокамерам. Всего за несколько десятилетий в области технологий хранения данных произошли разительные перемены, а появление флеш-памяти без преувеличения можно назвать революцией. Но время не стоит на месте, и следующей вехой в "потребительской" хронологии должны стать чипы, которые будут способны хранить сотни фильмов в HD-качестве либо всю мировую библиотеку книг. Чтобы воплотить эти мечты в реальность, по всему миру в лабораториях совершенствуют текущие и разрабатывают новые технологии, самые удачные из которых обязательно попадут на рынок – прогресс нельзя остановить. Всего несколько месяцев назад начались поставки первого чипа, на который возможно записать 64 Гбит данных. [1] Технологии устройств памяти следующего поколения будут использовать новые материалы, обладать временем доступа в единицы наносекунд и хранить информацию как минимум десятки лет без перезаписи. Сложно назвать чёткие сроки, когда же на полках магазинов появится "суперфлешка", но многомиллиардные доходы полупроводниковой индустрии не дают сомневаться, что для этого предпринимаются все возможные усилия, и на звание технологий следующего поколения уже есть претенденты.
MRAM (англ. magnetoresistive random-access memory – магниторезистивная оперативная память) – это запоминающее устройство cпроизвольным доступом, которое хранит информацию при помощи магнитных моментов, а не электрических зарядов. Важнейшее преимущество этого типа памяти – энергонезависимость, то есть способность сохранять записанную информацию при отсутствии внешнего питания. [2]
Рисунок 1– Структура MRAM памяти
В отличие от других типов запоминающих устройств, информация в магниторезистивной памяти хранится не в виде электрических зарядов или токов, а в магнитных элементах памяти. Магнитные элементы сформированы из двух ферромагнитных слоёв, разделенных тонким слоем диэлектрика. Один из слоёв представляет собой постоянный магнит, намагниченный в определённом направлении, а намагниченность другого слоя изменяется под действием внешнего поля. Устройство памяти организовано по принципу сетки, состоящей из отдельных «ячеек», содержащих элемент памяти и транзистор. Считывание информации осуществляется измерением электрического сопротивления ячейки. Отдельная ячейка (обычно) выбирается подачей питания на соответствующий ей транзистор, который подаёт ток от источника питания через ячейку памяти на общую землю микросхемы. Вследствие эффекта туннельного магнитосопротивления,электрическое сопротивление ячейки изменяется в зависимости от взаимной ориентации намагниченностей в слоях. По величине протекающего тока, можно определить сопротивление данной ячейки, и как следствие, полярность перезаписываемого слоя. Обычно одинаковая ориентация намагниченности в слоях элемента интерпретируется как «0», в то время как противоположное направление намагниченности слоёв, характеризующееся более высоким сопротивлением – как «1». Информацию можно записывать в ячейки, используя множество способов. В простейшем случае, каждая ячейка лежит между двумя линиями записи, размещёнными под прямым углом друг к другу, одна над, а другая под ячейкой. Когда ток проходит через них, в точке пересечения линий записи наводится магнитное поле, которое воздействует на перезаписываемый слой. Этот способ требует достаточно большого тока, необходимого для создания поля, и это делает их не очень подходящими для применения в портативных устройствах для которых важна малое потребление энергии, это один из основных недостатков MRAM. Кроме того, с уменьшением размера микросхем, придёт время, когда индуцированное поле перекроет соседние ячейки на маленькой площади, что приведёт к возможным ошибкам записи. Из-за этого в памяти MRAM данного типа необходимо использовать ячейки достаточно большого размера. Быстродействие памяти типа DRAM ограничено скоростью, с которой заряд, хранящийся в ячейках, может быть слит (для чтения) или накоплен (для записи). Работа MRAM основана на измерении напряжений, что предпочтительнее, Работа MRAM основана на измерении напряжений, что предпочтительнее, чем работа с токами, так как требуется меньше времени на переходные процессы. Рисунок 2 –Упрощенная структура ячейки MRAM памяти
Исследователи IBM продемонстрировали устройства MRAM с временем доступа порядка 2 нс, заметно лучше чем даже самые продвинутые DRAM построенные на самых новых технологических процессах. Преимущества по сравнению с Flash памятью более значительные, время чтения у них похожее, но время записи в тысячи раз меньше. Конечно, на данный момент MRAM ещё не готова для широкого применения. Огромный спрос на рынке флэш-памяти вынуждает производителей к агрессивному внедрению новых технологических процессов. Самые последние фабрики, на которых например изготавливает микросхемы флэш-памяти ёмкостью 16 Гбайт фирма Samsung, используют 50 нм технологический процесс. На более старых технологических линиях изготавливаются микросхемы памяти DDR2 DRAM, для которых используется 90 нм технологический процесс предыдущего поколения. Магниторезистивная память всё ещё в значительной степени находится «в разработке», и производится с помощью устарелых технологических процессов. Так как спрос на флэш-память в настоящее время превышает предложение, то еще не скоро появится компания, которая решится перевести одну из своих фабрик, с новейшим технологическим процессом на изготовление микросхем магниторезистивной памяти. Но и в этом случае, конструкция магниторезистивной памяти на сегодняшний момент проигрывает флэш-памяти по размерам ячейки, даже при использовании одинаковых технологических процессов.
FeRAM (англ. ferroelectric random access memory – сегнетоэлектрическая оперативная память) – оперативная память, по своему устройству схожая с DRAM, но использующая слой сегнетоэлектрика вместо диэлектрического слоя для обеспечения энергонезависимости. [3] FeRAM – одна из растущего числа альтернативных технологий энергонезависимой памяти, предлагающая ту же самую функциональность, что и флеш-память. Среди преимуществ FeRAM перед флэш-памятью называют низкое энергопотребление, более быструю запись информации и существенно увеличенное максимальное число (превышающее 1016 для устройств, рассчитанных на 3.3 В) циклов перезаписи. К недостаткам FeRAM относят: гораздо более низкую плотность размещения информации, чем у флеш-устройств, ограниченную емкость накопителей и более высокую стоимость. Главным определяющим фактором стоимости подсистемы памяти является плотность размещения компонентов. Уменьшение компонентов (или их количества) означает, что большее количество ячеек может уместиться в один чип, что в свою очередь означает, что за один раз из одной кремниевой пластины может быть произведено больше. Это повышает доход, что напрямую отражается на стоимости. Ограничение снизу в этом процессе масштабирования – один из ключевых пунктов сравнения, что характерно для всех технологий вообще, масштабируемых до наименьших размеров ячейки и упирающихся в этот предел, что не позволяет им дальше дешеветь. FeRAM и DRAM схожи по своей конструкции, даже могут быть произведены на схожих линиях при схожих размерах. В обоих случаях нижний предел определяется величиной заряда, необходимой триггеру усилителя считывания. Для DRAM это превращается в проблему при 55 нм, так как при таком размере величина заряда, хранимого конденсатором, становится слишком маленькой. Пока неизвестно, может ли FeRAM быть уменьшена до аналогичного размера, так как плотность заряда на PZT-слое может не быть той же самой, что и у металлических электродов в обычном конденсаторе. Дополнительным ограничением по размеру является то, что материал теряет сегнетоэлектрические свойства при сильном уменьшении. [4][5] На данный момент ведутся исследования, посвященные проблеме стабилизации сегнетоэлектрических материалов; одним из решений, например, является использование молекулярных адсорбатов.[4] Ключевым преимуществом FeRAM перед DRAM является то, что происходит между циклами чтения и записи. В DRAM заряд, расположенный на металлических электродах, утекает через изоляционный слой и управляющий транзистор, в результате чего исчезает совсем.  Рисунок 3 – Структура FeRAM-ячейки
Также в DRAM для хранения данных дольше нескольких мгновений каждая ячейка должна периодически считываться и перезаписываться, что получило название «регенерации». Каждая ячейка должна обновляться множество раз в секунду (~65 мс [6] ), что требует постоянного источника питания. Производительность DRAM ограничена уровнем, при котором текущий заряд, хранимый в ячейках, может быть «слит» (при чтении) или сохранен (при записи). В общем случае, это ограничивается возможностями управляющих транзисторов, емкостью линий, подающих питание на ячейки, а также создаваемой температурой. С теоретической производительностью FeRAM не все ясно. Существующие 350 нм образцы обладают временем чтения порядка 50-60 нс. Хотя по скорости они сопоставимы с современными чипами DRAM, среди которых можно найти экземпляры с показателями порядка 2 нс, распространенные 350 нм чипы DRAM работают с временем чтения порядка 35 нс, поэтому производительность FeRAM выглядит сравнимой при аналогичном процессе производства.
PCRAM (англ. phase-change random access memory – оперативная память с изменением фазовых состояний) – технологии того же ряда, что применяются в перезаписываемых оптических дисках. [1] Информация хранится в атомных структурах материалов, имеющих два возможных фазовых состояния: аморфное, схожее с оконным стеклом с неупорядоченными атомами, и кристаллическое. В последнем случае материал электропроводен, тогда как в аморфном состоянии это изолятор. Подобный материал в PCRAM заключён между двумя электродами, и для переключения между фазами необходим лазерный импульс или электрический ток, чтобы расплавить вещество. Длительное воздействие приводит к формированию кристаллической решётки, а при коротком импульсе материал охлаждается до аморфной фазы.
Рисунок 4 – Структура PCRAM
Недостаток – в необходимости передачи энергии для нагрева элементов памяти до нескольких сотен °С, на что уходит значительное количество энергии, хотя с уменьшением устройств на основе PCRAM уровень потребляемой мощности будет снижаться. Зато плотность размещения элементов хранения очень высока: всего несколько атомов нужны для создания ячейки, способной менять состояние с кристаллического на аморфное. Специалисты считают, что реальным значением является 5 нм - почти в 10 раз меньше, чем во флеш-памяти. Более того, время переключения PCRAM может достигать 1 нс. Но с уменьшением этого параметра стабильность состояния материала также снижается, поэтому пока значение скорости переключения в 10-100 раз медленнее теоретического потенциала. Сегодняшняя задача инженеров – достижение оптимального соотношения скорости и стабильности. Samsung недавно представила чип PCRAM ёмкостью 512 Мб. RRAM (англ. resistive random access memory – резистивная память с произвольным доступом) по масштабам элементов хранения битов сравнима с PCRAM. Только вместо изменения фазового состояния под действием тепла здесь используется электрохимическая реакция. Материалом для резистивной памяти выступает непроводящий оксид, такой как оксид титана. Когда к кристаллу приложено высокое напряжение, удерживающие атомы кислорода связи начинают разрушаться. Кислород оставляет за собой "дырки" и свободные электроны, способные стать носителями зарядов. "Дырки" стремятся сформировать узкие ряды, или электропроводные каналы в кристалле. Обратное напряжение возвращает кислород, снова превращая материал в диэлектрик. Такие переходы создают устойчивые состояния памяти, которые изменяются только под действием высоких значений напряжения определённой полярности. Хо Чия-хуа (Ho Chia-hua), один из членов исследовательской группы, рассказал, что новый чип памяти, площадью один квадратный сантиметр, сможет вместить 500 ГБ информации, в перспективе объем данных одного чипа может быть расширен до 1.5 ТБ (!), чего вполне хватит для хранения огромного количества видео, аудио, изображений и других документов. [7] RRAM является быстродействующей технологией с низким энергопотреблением. По словам Стэна Уильямса (Stan Williams) из лаборатории Hewlett-Packard Laboratories в Пало-Альто, Калифорния, переключение состояний происходит в считанные наносекунды, а требуемая энергия измеряется пикоджоулями. Это сотая часть от необходимого флеш- памяти количества. Масштаб битов также впечатляет – переключение может происходить на одном нанометре. Впрочем, и здесь проблема со стабильностью. Если бит с высоким сопротивлением расположен сразу за таковым с низким, тогда электрический ток может "задеть" соседний участок и изменить его состояние. Данное препятствие решают в настоящий момент Hewlett-Packard и другие компании. RRAM примечательна не только благодаря способности хранить информацию. В 2008 году Уильямс с коллегами обнаружил, что устройство на основе резистивной памяти имеет характеристики мемристора – теоретического четвёртого основного элемента электрической цепи после резистора, конденсатора и индуктивности. Мемристор отличается от обычного резистора способностью принимать разные значения сопротивления в зависимости от заряда, который прошёл через него в прошлом. Это делает компонент моделью аналоговой вычислительной единицы человеческого мозга, но с оговоркой: работает она значительно быстрее настоящего синапса и с меньшими затратами энергии.
Трековая память (Racetrack memory)
Большинство дорог к "суперпамяти" ведут через поиск путей манипулирования атомами и их свойствами в нанометровом масштабе. Однако некоторые учёные уверены, что внимание нужно обратить на конструкцию памяти. Например, трёхмерная архитектура позволит совершить новый прорыв. В трековой памяти биты хранятся в виде крошечных доменов намагниченности, почти как в жёстких дисках. Отличие в том, что эти элементы памяти не являются монолитными блоками, а ведут себя как бусины на магнитном нанопроводнике.
Рисунок 5 – Структура трековой памяти
Электрический ток перемещает домены, проходящие через считывающие и записывающие головки. Скорость процесса достигает 200 м/с, что эквивалентно времени чтения в десятки наносекунд. Это сравнимо с cегодняшними видами памяти, но преимущество трековой заключается в ёмкости. Плоский проводник микрометрового размера способен хранить данные с не меньшей плотностью, чем флеш-память. Истинный потенциал кроется в изменении конфигурации нанопроводников с двумерной на трёхмерную, когда трековая память сможет хранить в сотни раз больше битов по сравнению с флеш-памятью на той же площади. Однако,подобных прототипов ещё не существует. Заключение В заключении стоит сказать, что прогресс не стоит на месте, настоящие фирмы с каждым годом разрабатывают всё новые и новые виды методы и способы хранения памяти, совершенствуют старые. Причём это не только в проектах, ведутся активные разработки, некоторые элементы памяти уже поступили в продажу. Список рекомендуемой литературы
1. Денис Борн // Будущее компьютерной памяти: 5 революционных технологий – (http://www.3dnews.ru/news/budushee_komputernoi_pamyati_5_revolutsionnih_tehnologii/) 2. Материал из Википедии - свободной энциклопедии - (http://ru.wikipedia.org/wiki/Магниторезистивная_оперативная_память)
3. Материал из Википедии - свободной энциклопедии - (http://ru.wikipedia.org/wiki/FRAM)
4. Jonathan E. Spanier / Alexie M. Kolpak / Jeffrey J. Urban / Ilya Grinberg / Lian
Ouyan / Wan Soo Yun / Andrew M. Rappe / Hongkun Park // Ferroelectric Phase Transition in
Individual Single-Crystalline BaTiO3 Nanowires –
(http://www.materials.drexel.edu/mml/pubs/Spanier_Kolpak_etal_NL06.pdf)
5. Javier Junquera / Philippe Ghosez // Critical thickness for ferroelectricity in perovskite
ultrathin films – (http://www.nature.com/nature/journal/v422/n6931/full/nature01501.html)
6. TN-47-16: Designing for High-Density DDR2 Memory Introduction –
(http://download.micron.com/pdf/technotes/ddr2/TN4716.pdf)
7. Ssu-filippov // Инженеры Тайваня создали самые маленькие микросхемы памяти
RRAM – (http://www.nanonewsnet.ru/news/2011/na-taivane-razrabotany-samye-malenkie-
mikroskhemy-pamyati-rram) | 
