ТЕМА 16

В 1979 г. компания Intel разработала новый вид памяти — EEPROM
Или по-нашему…
ФЛЭШ-ПАМЯТЬ

Что такое Флэш-память
Флэш-память (англ. Flash-Memory)
— разновидность твердотельной полупроводниковой энергонезависимой перезаписываемой памяти
Флэш-память может быть прочитана сколько угодно раз, но писать в такую память
можно лишь ограниченное число раз
(обычно около 10 тысяч раз).

преимущества
её энергонезависимость
более компактна чем
CD-ROM , жёсткие диски, DVD
дешева (с учётом стоимости
устройств чтения-записи)
обеспечивает более быстрый доступ

малый объём
(до 16 Гб )
недостатки

DVD

в качестве элементарных ячеек хранения информации используются полевые двухзатворные МОП-транзисторы
(транзисторы с плавающим затвором).

Микросхемы NOR
архитектура NOR предпочтительней, поскольку скорость произвольного доступа у нее выше. (например, для хранения программного кода BIOS, мобильных телефонов)

Микросхемы NAND
обеспечивают более высокую плотность хранения информации, поэтому для записи/хранения большого количества информации используется преимущественно именно эта микросхема (флэш-накопители, карты памяти).

МОП (металл-окисел-полупроводник) — это самый простой тип полевого транзистора.
работает очень медленно
высокая степень интеграции (занимают на кристалле микросхемы в 6-9 раз меньшую площадь чем ТТЛ-ранзистор )

Процесс записи информации
для ячеек NOR
сигнал
∆U
на плавающий затвор инжектируются (впрыскиваются) электроны, изменяя его заряд

Архитектура ячейки NAND

запись в ячейках NAND
методом туннелирования электронов
желтые частицы проходят сквозь барьер; красные частицы перепрыгивают его благодаря полученной дополнительной энергии

Процесс стирания информации в ячейках NOR и NAND
туннельный эффект:
На управляющий затвор подается высокое напряжение противоположной полярности (обратной той, что была), и электроны с плавающего затвора переходят на исток
Uвыс

В настоящее время основные усилия разработчиков сосредоточены на наращивании объемов памяти и сокращении размеров носителей с параллельным снижением энергопотребления.

новые разработки

Перспективные запоминающие устройства
(FRАМ, РFRАМ, МRАМ, OUM)

Успехи создания ЗУ на основе полупроводниковой технологии не снимают проблемы дальнейшего совершенствования микросхем памяти. Чтобы прибиться к идеалу, желательно к таким свойствам ЗУ, как высокая емкость, быстродействие и малая потребляемая мощность, добавить и энергонезависимость, которой современные ОЗУ не обладают. Если к такому комплексу качеств прибавить и низкую стоимость, то получатся ЗУ, близкие к идеалу. Пути приближения к идеалу включают в себя попытки использования нескольких новых для технологии ЗУ физических явлений - ферроэлектрических, магниторезистивных.

ЗУ типа FRАМ (ферроэлектрические)
В ферроэлектрических FRАМ (Ferroelectric RАМ) основой запоминающего элемента служит материал, в кристаллической структуре которого имеется бистабильный атом. Занимая одно из двух возможных пространственных положений ("верхнее" или "нижнее"), этот атом создает в ферроэлектрическом материале внутренние диполи того или иного знака (спонтанная поляризация).

С помощью электрического поля можно придать внутреннему диполю тот или иной знак. Под воздействием внешнего электрического поля и при температуре не выше определенной (связанной с точкой Кюри) материал поляризуется, делали выстраиваются упорядоченное состояние материала может отображать двоичные данные 0 и 1. Зависимость поляризации Р от напряжения U имеет петлю гистерезиса, показанную на рис. 4.50. а Через Uс на рисунке обозначены коэрцитивные напряжения, через PR - остаточные поляризации, до сохраняются после снятия электрических полей.

ЗУ типа PFRAM
(полимерно-ферроэлектрические)
ЗУ типа PFRAM (Polimeric Ferroelectric RAM) – разновидность ферроэлектрических ЗУ. Они построены на основе ферроэлектрических материалов – пленок с двумя стабильными состояниями поляризации, полученных около 10 лет назад шведской фирмой Opticom. Над применением таких пленок в схемах ЗУ работает фирма Intel совместно с дочерней компанией указанной шведской фирмы.

В пленке, толщина которой меньше 0,1 мкм, образуются ориентированные диполи, которые служат запоминающими элементами, хранящими различные двоичные данные при изменении знака поляризации. Расположенные в полимерной пленке запоминающие элементы размещаются между двумя взаимно перпендикулярными металлическими дорожками, на которые подаются определенные напряжения (рис. 16.3). Индивидуальные биты активизируются возбуждением словарной и разрядной линии, на пересечении которых они находятся. Наличие созданных диполей себя проявляет, и набор чувствительных усилителей в разрядных линиях воспринимает значения битов данных.

Рисунок 16.3 Схематическая конструкция
полимерно-ферроэлектрического ЗУ.
Рисунок 16.3 Схематическая конструкция
полимерно-ферроэлектрического ЗУ.

Процессы записи и чтения идентичны по быстродействию — и тот, и другой занимают приблизительно по 50 мкс. Эта цифра исключает какой-либо разговор о быстродействии, она на три порядка превышает времена доступа обычных DRAM. Поэтому PFRAM перспективны не в качестве ОЗУ, а для замены дисковой памяти. Подсчитано, что плата PFRAM-памяти размером с кредитную карту по информационной емкости будет эквивалентна 400 тысячам CD.
Имеются сообщения о возможности существенного повышения быстродействия PFRAM при новых методах обработки полимерной пленки. Предполагается, что массовое производство PFRAM начнется приблизительно через 5 лет.

ЗУ типа MRAM (магниторезистивные)
В ЗУ типа MRAM (Magnetoresistive RAM) битам двоичных данных соответ­ствуют участки намагниченности, создаваемые в материалах, обладающих остаточной намагниченностью.
Участки с остаточной намагниченностью образуют "микромагнитики", положение полюсов которых задается при за­писи информации.
Магнитные ЗУ обладают естественной энергонезависи­мостью. Магнитные поля отдельных магнитиков обнаруживаются располо­женными у их краев элементами с магниторезистивными свойствами, электрическое сопротивление которых зависит от магнитного поля, окру­жающего эти элементы. Чтение при.этом не является разрушающим.

Для создания MRAM можно использовать два типа эффектов — так называемый гигантский магниторезистивный эффект (Giant Magnetic-resistive Effect) или туннелирование носителей заряда через тонкий слой, управляемое магнитным полем (в ЗУ типа MTJ, Magnetic Tunnel Junction).
В последнее время почти все разработчики предпочли второе направление, на котором мы и остановимся.

Конструкция запоминающего элемента типа MTJ включает в себя два ферромагнитных слоя, разделенных тонким слоем диэлектрика, действующим как туннельный барьер (Рисунок 16.4 ).
Электрическое сопротивление такого элемента зависит от создаваемого в тонком слое магнитного поля.
Поле зависит от окружающих диэлектрик двух ферромагнитных слоев — если их магнитные моменты параллельны, то сопротивление элемента MTJ минимально, если антипараллельны, то максимально.
Чтение осуществляется измерением туннельного тока между магнитными слоями. В этой конструкции разница между сопротивлениями элементов, находящихся в состояниях 0 и I, достигает 50%.

Рисунок 16.4 Схематическая конструкция
запоминающего элемента типа MTJ
Рисунок 16.4 Схематическая конструкция
запоминающего элемента типа MTJ

Современные разработки MRAM еще далеки от теоретически достижимых, уровень которых очень высок: время записи 2,3 не, т. е. на три порядка меньше, чем у флэш-памяти, время считывания 3 не, т. е. приблизительно в 20 раз меньше, чем у современных DRAM, число циклов практически неограничено (превышает 1015), потребляемая мощность на порядки меньше, чем у DRAM. Микросхемы обладают повышенной радиационной стойкостью.
Фирма Motorola в 2002 г. продемонстрировала MRAM емкостью 1 Мбит (при топологической норме 0,6 мкм). К 2004 г. этой фирмой ожидаются MRAM емкостью 32 Мбит или более. К этому же году намерена выпустить прототипные кристаллы MRAM и фирма Intel.

ЗУ типа ОUМ
(с использованием фазовых переходов вещества)
ЗУ типа OUM (Ovonyx Unified Memory, по названию фирмы Ovonyx) построены на основе физических эффектов, которые уже использовались в памяти на компакт-дисках. В OUM эти же эффекты применены для реали­заций памяти по интегральной технологии. Как и в дисках CD и DVD с перезаписью данных, в памяти OUM применены халкогенидные сплавы. Халкогенид — сплав GeSbTe, который может иметь кристаллическое проводя­щее или аморфное непроводящее состояния.
Эти состояния материал может сохранять, а выявлять их можно измерением сопротивления запоминающего элемента. Состояния "кристаллическое—аморфное" взаимно обратимы, их изменения происходят быстро.
В конструкции запоминающего элемента (Рисунок 16.5 ) небольшой объем халкогенида играет роль резистора с программируемым сопротивлением при динамическом диапазоне между значениями низкого и высокого сопротивлений около 100.

Фазовое состояние халкогенида программируется пропусканием через элемент импульсов тока, имеющих разные параметры. Управление током про­изводится с помощью МОП-транзистора. Чтение бита осуществляется путем измерения сопротивления элемента. При записи программируемый материал нагревается до температуры, превышающей точку плавления, и затем быстро охлаждается, что вызывает его переход в аморфное состояние. В кристаллическое состояние элемент переводится нагреванием до температуры ниже точки плавления с последующей выдержкой в ней в течение 50 нс.

В элементе памяти с халкогенидом можно программировать сопротивление не только для двух его значений (максимального и минимального), но и для промежуточных, а это означает принципиальную возможность использовать в памяти многоуровневые сигналы и, следовательно, хранить в одном элементе более одного бита данных.

Запоминающие элементы OUM просты по конструкции, потребляют малую мощность, энергонезависимы, имеют неразрушающее чтение, допускают до 1012 циклов записи/стирания. Особо можно отметить предполагаемую высокую надежность памяти OUM, что существенно для военной и аэрокосмической аппаратуры. Фирма Ovonics совместно с фирмой Intel разработала тестовый кристалл памяти OUM с топологической нормой 0,18 мкм.

Рисунок 16.5 Конструкция и схема
запоминающего элемента памяти OUM
Рисунок 16.5 Конструкция и схема
запоминающего элемента памяти OUM

Параметры перспективных микросхем памяти, имеющих наибольшую степень практического освоения, приведены в табл. 1.