Традиционные технологии памяти для серверов и систем хранения данных, а также прочих электронных устройств, включая память SSD-флэш (NAND и NOR), оперативную память DRAM и SRAM, приближаются к своим пределам развития. Исследователи ведущих университетов и электронных компаний во всем мире прилагают большие усилия для разработки новых видов памяти, чтобы преодолеть существующие технологические ограничения. В основном эти новые технологии используют принципы построения постоянной (non-volatile) памяти: PCM, RRAM (ReRAM), FRAM (FeRAM), MRAM, STT-MRAM и другие, а также многие их разновидности.

Признанные гранды электронной промышленности долгое время скрывали истинную технологию работы энергонезависимой памяти под брендом 3D XPoint, которая на деле оказалась не такой уж и инновационной. Intel создала немало шумихи вокруг этой «новой» технологии, отвлекшей внимание от не менее перспективных разработок, таких как MRAM или STT-RAM. А между тем, например, резистивная память RRAM (resistive RAM) рассматривается как потенциальная замена флэш-памяти и ожидается, что переход на эту технологию будет происходить в течение 2020-30 годов.

Магниторезистивная память MRAM (Magnetic RAM) и память с туннельным эффектом спинового момента STT-MRAM (spin tunnel torque RAM) уже начала вытеснять NOR-флэш, SRAM, а вскоре возможно и DRAM. Использование спиново-электронных технологий может открыть путь к разработке микропроцессоров на основе принципов квантовых вычислений. Спиновая логика может быть полезна для организации вычислений непосредственно в памяти (in-memory processing). По цене MRAM и STT-MRAM уже приближаются к SRAM, а при более низком, по сравнению со SRAM, энергопотреблении, вероятно, заменят ее, что еще больше расширит рынок этих технологий.

Темпы совершенствования STT-MRAM и MRAM уже значительно повлияли на снижение цен на устройства постоянной памяти, а перспективы замены оперативной памяти на высокоскоростную и выносливую постоянную память делают эти технологии очень привлекательными, в особенности при больших объемах производства, что еще больше снизит цены. MRAM уже используется в ряде корпоративных и потребительских электронных устройств в качестве кэш-памяти, а также она используется как встроенная память в «системах на чипе» SoC (System on Chip). MRAM и STT-RAM можно использовать при производстве традиционных логических устройств на базе МОП/MOS-транзисторов. Чипы MRAM и STT-RAM можно размещать поверх чипов МОП-логики еще на этапе производства полупроводниковых пластин.

Перспективы памяти с плавающим затвором

Нестираемая память NVM (non-volatile memory) чаще всего выполняется на базе полевых транзисторов с плавающим затвором FG (Floating-gate). Идея использования плавающего затвора (FG) в МОП-транзисторах (MOS, Metal-Oxide-Silicon) для создания постоянной (nonvolatile) памяти возникла еще в 1967 году в Лабораториях Белла (Bell Labs) в США.

Принцип работы ячейки постоянной памяти на МОП(MOS)-транзисторе с плавающим затвором FG

С тех пор появлялось много различных технологий, которые претендовали на роль «универсальной полупроводниковой памяти», USM (Universal Semiconductor Memory). Если бы такую память удалось создать, то это был бы ключ к огромнейшему рынку устройств потребительской электроники и компьютеров. А в будущем – это еще более огромный рынок приложений: от автоматизации производства до здравоохранения, искусственного интеллекта и других инновационных областей.

Виды памяти, использующие эти технологии, разрабатывались в последние 50 лет, в течение которых удавалось уменьшать ячейки памяти, чтобы достичь более высокой емкости хранения данных, более высоких скоростей записи считывания, снижения напряжения управления и энергопотребления.

Однако, память на базе «плавающего затвора» FG имеет внутренние ограничения и быстро приближается к своим конструктивным пределам. После того как размер ячейки флэш-памяти в 2005 году стал менее 32 нм, стали появляться проблемы производства. Относительно высокая толщина оксидного слоя и внутреннего слоя диэлектрика в структуре МОП/MOS-транзистора (это требуется для обеспечения достаточной надежности хранения информации) ограничивают дальнейшее уменьшение размеров ячейки памяти как по горизонтали, так и по вертикали.

Технологические ограничения уменьшения размеров ячейки постоянной памяти (источник данных: ITRS, International Technology Roadmap for Semiconductors)

Кроме того, расстояние между соседними ячейками при уменьшении их размеров также уменьшается, что вызывает электромагнитные наводки между зарядами плавающих затворов в соседних ячейках. При уменьшении размеров также уменьшается и количество заряда в плавающем затворе, и он становится плохо различимым при считывании данных, что не позволяет уменьшать размеры ячеек далее.

В последние годы был разработан ряд перспективных технологий, которые дали возможность выйти за рамки традиционной технологии с плавающим затвором.

Магниторезистивная память MRAM (magnetoresistive RAM)

Разработка различных видов MRAM ведется с 1990-х годов, а первый прототип был предложен компанией IBM в 1970-х годах. Тогда ожидалось, что она заменит DRAM и станет общим стандартом для всех электронных устройств. Ячейка памяти MRAM содержит два магнитных элемента памяти: один с фиксированной магнитной полярностью, другой – с переключаемой. Они расположены один над другим и изолированы тонким слоем изолятора, через который возможно туннелирование заряда. Магнитная резистивность означает то, что металл может менять сопротивление под действием магнитного поля. Пропуская ток через транзистор, можно менять состояние магнитного поля в переменном слое. Если направление тока совпадает с направлением спина электронов в постоянном магнитном слое, то за счет туннельного эффекта состояние ячейки устанавливается в 1. Если ток не совпадает со спином, туннельный эффект не возникает, и ячейка остается в состоянии 0.

Структура и принцип работы ячейки MRAM

При сочетании скорости считывания SRAM и плотности DRAM память MRAM обладает потенциалом существенного улучшения качества потребительской электроники: повышения скорости работы и объема хранимых данных, а также значительного снижения энергопотребления.

Такие компании как Samsung, IBM, Hitachi, Toshiba и TSMC активно разрабатывают собственные варианты MRAM. С точки зрения энергопотребления и скорости работы MRAM успешно конкурирует с другими видами DRAM и Flash-памяти.

Недостатком технологии является то, что при уменьшении размера ячейки может появиться паразитное влияния магнитного поля соседних ячеек друг на друга. Кроме того, недостатком является относительная дороговизна, вызванная сложностью и прецизионностью производственного процесса.

Преимуществом является то, что при отсутствии операций чтения или записи память MRAM почти не потребляет энергию. Теоретически при чтении MRAM должна потреблять больше энергии, чем DRAM, однако на практике энергоемкость чтения у них мало отличается друг от друга. Тем не менее процесс записи требует в 3-8 раз большей энергии, чем при чтении, – эта энергия расходуется на изменение магнитного поля.

STT-MRAM (Spin-transfer torque RAM)

Магниторезистивная память с переносом момента спина STT-MRAM (Spin-transfer torque RAM) – усовершенствованный вид магниторезистивной памяти с более быстрым считыванием, меньшим размером ячеек, что делает эту память кандидатом на замену DRAM и SRAM. Процесс чтения в STT-MRAM неотличим от MRAM.

MRAM хранит данные в соответствии с направлением спина электронов в магнитном слое с переменным спином. STT-MRAM, в свою очередь, использует наведенные спинами токи, что позволяет достичь уменьшения размеров ячейки и энергопотребление.

Сравнение устройства ячеек MRAM и STT MRAM

По сравнению с обычной MRAM эта память использует синергетический эффект однонаправленных спинов электронов для снижения порога подкачки через туннельный переход. В методе хранения данных в STT-MRAM ничего не поменялось, но изменился метод записи. В STT-MRAM происходит перенос спина электронов, попадающих в свободный слой. В нормальных условиях электроны вращаются случайным образом, но если направлять в ферромагнитный слой предварительно ориентированные по спинам электроны, поляризация будет соответствовать направлению общего спина.

То есть при записи в ячейку STT-MRAM электрический ток поляризован выравниванием направления спинов электронов с использованием явления туннельного пробоя через p-n-переход, MTJ (magnetic tunnel junction). При этом происходит изменение сопротивления магнитного туннельного перехода.

STT-MRAM – более подходящая технология для будущих реализаций памяти MRAM, которая может использоваться в микросхемах программируемой логики FPGA, микроконтроллерах и системах на чипе SoC. Дополнительным преимуществом является то, что напряжение, требуемое для ячейки STT-MRAM, составляет всего 1,2 В.

Элементы памяти STT-MRAM разрабатываются такими компаниями, как Everspin, Grandis, Hynix, IBM, Samsung, TDK и Toshiba.

Нерешенной проблемой в STT-MRAM пока остается то, как достичь сочетания противоречащих параметров: низкого тока переключения, высокой термической стабильности, достаточного быстродействия считывания и записи (менее 10 нс), а также низкого энергопотребления.

Память с изменяемым фазовым состоянием PCM (Phase-change memory PRAM)

Другие названия этой памяти: PCME, PRAM, PCRAM, OUM (ovonic unified memory), а также C-RAM или CRAM (chalcogenide RAM).

В 1969 году Чарльз Ши (Charles Sie) из Университета штата Айова опубликовал диссертацию, где продемонстрировал принцип устройства памяти с переменным фазовым состоянием при интеграции халькогенидной пленки с диодным массивом. Халькогенид широко применяется для покрытия дисков CD-RW и DVD-RW. Однако здесь используются не электрические, а оптические свойства халькогенида. Его коэффициент отражения изменяется при изменении состояния материала. К сожалению на рубеже 60-70-х годов качество исходных материалов и сложности технологии не позволили ее коммерциализировать.

Почти все прототипы устройств PRAM используют халькогенидные сплавы германия, сурьмы и теллура.

Принцип работы ячейки PRAM

Практическая реализация таких устройств оказалась весьма сложным делом, поскольку свойства ячеек с изменяемым фазовым состоянием быстро деградируют.

Первая коммерческая память PCM объемом 128 Мбит на чипе с шагом 90 нм была произведена компанией Numonyx в 2008 году, дочерней компанией Intel, а также STMicroelectronics, которая в 2010 году была приобретена компанией Micron. Эта компания в 2012 году разработала чип PCM емкостью 1 Гбит по технологии 45 нм, который поставлялся для мобильных телефонов компании Nokia, но в 2014 году этот продукт был снят с продажи.

Последняя разработка, использующая технологию PCM, получившая название 3D Xpoint, была анонсирована Intel и Micron в июле 2015 года. Хотя обе компании прилагали усилия, чтобы не раскрывать базовую технологию, было установлено, что в качестве элемента памяти в ней был использован сплав с изменяемым фазовым состоянием. Устройства памяти по «технологии 3D Xpoint» (по сути – РСМ) были выпущены под брендом Intel Optane и сейчас доступны как постоянная память емкостью 16-64 Гбайт и более.

Модуль памяти Intel Optane 16 Гбайт (источник: Intel)

Ферроэлектрическая память FRAM (ferroelectric RAM, FeRAM)

FeRAM имеет быстродействие почти как у оперативной памяти DRAM. Структура ферроэлектрической ячейки показана на рисунке.

Структура ферроэлектрической памяти

Ячейка памяти состоит из n-p-n транзистора и конденсатора. Доступ к ячейке осуществляется через транзистор, который может изменять состояние диэлектрика конденсатора. Состояние ячейки «0» или «1» определяется зарядом конденсатора. Несмотря на название, никакого железа (ferrum) в ячейке нет. Свойства поляризации ферроэлектрической субстанции используются в качестве устройства, хранящего бит информации. В качестве такой субстанции используется цирконат-титанат свинца (lead zirconate titanate, PZT), однако исследуется возможность использования и других материалов.

Основным разработчиком FeRAM является компания Ramtron International. Такая память довольно широко распространена в персональных компьютерах наряду с ROM и флэш благодаря своей способности долго сохранять информацию при снятии питания. Это достигается путем применения ферроэлектрического материала вместо обычного диэлектрика, который хотя и держит заряд некоторое время, но недолго. Как диэлектрик, так и ферроэлектрик при приложении внешнего электрического поля поляризуются, а при снятии поля поляризация исчезает. Однако ферроэлектрик имеет выраженную петлю гистерезиса на графике поляризации в отличие от диэлектрика и поэтому дольше держит заряд.

Недостатком FeRAM является деструктивный метод считывания. Считывание заключается путем записи «1» в каждую ячейку и если ее состояние изменяется, фиксируется небольшой ток, означающий, что до считывания ячейка находилась в состоянии «0».

Преимуществом является высокая скорость работы (быстрее, чем у флэш-памяти), а также устойчивость к большому количеству циклов перезаписи, что продлевает срок ее службы. Это, вероятно, даст возможность заменить EEPROM (электрически-программируемую память) и SRAM в некоторых приложениях для будущих устройств 5G.

Халькогенидная память PCRAM

Память PCRAM, известная также как PRAM (perfect RAM – «совершенная» RAM), или халькогенидная память CRAM (chalcogenide RAM). Этими терминами обозначается постоянная память, которая может находиться в двух фазовых состояниях (аморфном и кристаллическом).

Устройство ячейки PCRAM

Большинство материалов с изменяемой фазой состояния содержат по крайней мере один элемент шестой группы периодической таблицы химических элементов. Выбор доступных материалов может быть еще больше расширен внедрением примесей в эти элементы шестой группы. В частности, очень перспективными материалами являются сплавы GeSbTe (между GeTe и Sb₂Te₃), которые носят общее название GST.

Эти материалы часто используются в качестве оптического слоя в перезаписываемых компакт-дисках (CD-RW и DVD-RW). Структура материала может быстро меняться из кристаллической в аморфную и наоборот. Это позволяет материалу быть проводником в кристаллическом состоянии и диэлектриком в аморфном. При больших масштабах производства память РСМ показывает довольно низкую себестоимость. Кроме того, к преимуществам РСМ стоит отнести ее трехмерную структуру, что позволяет получить большую плотность размещения ячеек на чипе.

PCM иногда называют «perfect RAM» («совершенная память»), потому что данные могут перезаписываться без предварительного их стирания.

Недостаток PCRAM в том, что для перезаписи нужен сильный ток, однако с уменьшением размеров ячейки уменьшается и ток. Ожидается, что чипы PCRAM будут служить по крайней мере в семь раз больше, чем чипы флэш и в массовом производстве могут оказаться дешевле.

Рабочие прототипы PCRAM тестировались компаниями IBM, Infineon, Samsung, Macronix и другими еще в 2008 году. Однако информация о массовом производстве PCRAM до сих пор недоступна, хотя в 2017 году в США был получен патент на способ ее производства.

Сравнение технологий MRAM, STT-RAM, FeRAM, и PCM

В таблице показано сравнение технологий рассмотренных выше видов памяти как потенциальных кандидатов на звание «памяти следующего поколения».

Таблица 2- 1. Сравнение технологий MRAM, STT-RAM, FeRAM, и PCM

Резистивная память ReRAM (resistive RAM)

Принцип действия резистивной памяти ReRAM (RRAM) основан на изменении электрического сопротивления материала ячейки для хранения данных.

Принцип действия RRAM

RRAM рассматривается как перспективный вид памяти, который имеет шансы преобразить характеристики продуктов во многих областях – от потребительской электроники и персональных компьютеров до автомобилей, медицинского, военного и космического оборудования. Эта технология привлекательна еще и тем, что хорошо «вписывается» в существующий ландшафт традиционного оборудования для производства полупроводников.

Основной элемент памяти RRAM – мемристор, то есть элемент, который сохраняет величину электрического сопротивления после приложения тока. После импульса тока внутри него выстраивается проводящий мостик (тонкая нить) из внедренных в полупроводник ионов металла. После повторного импульса тока этот мостик разрушается и полупроводниковый оксид снова переходит в исходное состояние высокого сопротивления. Измерением этого сопротивления можно считывать информацию из ячейки неразрушающим методом.

Данный вид памяти имеет все шансы стать «универсальным ПЗУ» для самых различных применений, от RAM до замены SSD-флэш и жестких дисков.

Исследования перспектив массового производства этого вида памяти ведут многие полупроводниковые компании. Например, Google ведет исследования по применению RRAM в системах машинного обучения на базе нейронных сетей, как и ряд других компаний.

Исследования RRAM ведут компании Panasonic совместно с Fujitsu и стартапом Crossbar, а также HP, Western Digital, 4DS и другие. Ранее подобными исследованиями совместно занимались компании Sony и Micron, но последняя вышла из этого проекта в связи с разработкой памяти 3D XPoint вместе с Intel.

Память на квантовых точках (QD memory)

Стоит упомянуть еще об одном виде памяти на так называемых квантовых точках (Quantum Dot), исследования которого ведутся в настоящее время в свете грядущего перехода на квантовые вычисления и квантовые компьютеры. Исследования памяти на квантовых точках, которые ведутся в Техническом университете Берлина совместно с учеными из Стамбула, показывают, что такая память может совместить преимущества высоких скоростей работы DRAM и долговечности хранения данных во флэш-памяти, а также иметь высокую плотность размещения – около 1 терабайта на квадратном дюйме. Скорость считывания-записи при этом может составить 6 нс и менее.

Память на квантовых точках (источник: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0957-4484/24/50/505709/meta)

Однако эти свойства в реальном производстве сложно достигнуть из-за нестабильного размера квантовых точек и неравномерности изолирующего слоя между ними. То есть проблемы упираются в существующую прецизионность производства.

Другие новые типы памяти

Исследования в области новых типов памяти, способных заполнить технологический разрыв между DRAM и SSD, ведутся многими исследователями в различных организациях. Эта задача относится к числу ключевых в развитии компьютерной отрасли и информационных технологий, поскольку она призвана решить проблемы хранения данных, объем которых в условиях цифровой трансформации растет экспоненциально.

Можно назвать такие виды постоянной памяти, находящиеся в различных стадиях исследований:

• Racetrack memory: память, хранящая данные в нано-проводе U-образной формы, формирующем магнитное поле, полярность которого означает бит данных.
• Molecular memory: молекулярная память, которая использует образцы молекул для хранения битов данных вместо электрических или магнитных цепей, неорганических материалов или физических форм.
• Molecular Nano-Wire (MNW): память на массиве молекулярных нанопроводов, данные в которой хранятся в канале нанотранзистора, где используются окислительно-восстановительные химические процессы, а не электрические заряды.
• Semiconductor Nano-Wire (SNW): память на полупроводниковых нанонитях, ячейка которой представляет собой полевой транзистор с истоком и стоком, соединенными полупроводниковой нитью наноразмера.
• Nano-tube RAM (NRAM): ячейка которой представляет собой карбоновую нанотрубку CNT (carbon nano-tube), где для хранения информации используются наномеханические принципы, а не изменение свойств материалов.
• Millipede-память: в 2002 году компания IBM разработала некий гибрид перфокарты и нанопамяти под названием Millipede. Она представляет собой нанослой полимера, в котором данные хранятся в виде ямок, которые могут быть записаны и считаны специальным нанощупом. Несмотря на кажущуюся громоздкость такого способа записи, на одном квадратном сантиметре можно записать до 1 терабайта данных. Millipede разрабатывалась как возможная замена магнитной записи для жестких дисков, а также для уменьшения размеров флэш-памяти. Прототип такой памяти мог хранить объем 25 DVD-дисков на чипе размером с SD-карту. Если сравнить такую карту с обычной перфокартой IBM для больших мэйнфреймов начала 60-х, то на одном отверстии обычной перфокарты методом Millipede можно записать 25 гигабайт, причем, в отличие от бумажной перфокарты, эти данные можно стирать и записывать снова. Недостатком такой памяти является нестойкость к высокой температуре: при 85 ^оС можно потерять 10-20 % данных.

Память Millipede

• Transparent and flexible memory (TFM): прозрачная и гибкая память, которая представляет собой разновидность TFE-устройств (Transparent Flexible Electronics). Это новая технология, где используются материалы (оксиды, нитриды и карбиды) для формирования невидимых электронных схем.