Халькогенидная энергонезависимая память CRAM

История и физические принципы технологии CRAM

«Отцом» современной технологии запоминающих устройств на основе эффекта изменения фазы агрегатного состояния вещества является ныне здравствующий выдающийся американский ученый и изобретатель литовского происхождения Стэн Оушински (Stanford Ovshinsky) (рис. 1). Результатами его исследований в области практического применения поликристаллических и аморфных материалов стали около 400 патентов в различных областях техники. За 60 лет активной изобретательской деятельности этот ученый-самоучка, не получивший высшего образования, заслужил всемирную славу «Эдисона современности» и в 1999 г. был назван журналом Time одним из «героев планеты» XX века. Среди его изобретений наиболее известны и массово повседневно используются во всем мире NiMH-аккумуляторные батареи и тонкопленочные солнечные батареи.

Рис. 1. Стэн Оушински (Stanford Ovshinsky) (фотограф: Glenn Triest)

Созданная Оушински в 1960 г. научно-исследовательская компания Energy Conversion Devices и поныне успешно занимается разработкой перспективных технологий топливных элементов, аккумуляторных и солнечных батарей и, помимо этого, халькоге-нидных запоминающих устройств (CRAM). Для коммерциализации технологии запоминающих устройств на эффекте изменения фазы им же в 1999 г. была создана компания Ovonyx, обладающая авторскими правами на это изобретение. В настоящее время Ovonyx совместно с лидерами мировой полупроводниковой индустрии продолжает исследования в области практического применения халькогенидных материалов.

К сегодняшнему дню лицензию Ovonyx на производство продукции по технологии CRAM приобрели уже 12 компаний, что говорит об активной подготовке к ее внедрению. В таблице приведено состояние работ по CRAM на 2009 г. Первой компанией, которая смогла предложить рынку готовый продукт, стала корпорация BAE Systems, но в ближайшие годы ожидается появление и других изделий.

Таблица. Компании, разрабатывающие изделия по технологии CRAM

В чем причина столь агрессивного интереса ведущих мировых производителей электронных компонентов к этой технологии? Ключевые преимущества CRAM можно сформулировать так: потенциальная возможность создания элементов памяти намного меньших размеров, чем все ныне существующие, и устойчивость хранимой информации к электромагнитным полям и радиации. В 2009 г. рынок устройств энергонезависимой памяти по некоторым оценкам составил приблизительно 20 млрд долларов, практически 100% из которых приходятся на память типа Flash. Пока не ясно, как быстро и какую долю рынка займет технология CRAM, однако есть основания полагать, что дни безраздельного доминирования Flash подходят к концу.

Разберемся подробнее в технологии запоминающих устройств на основе эффекта изменения фазы агрегатного состояния вещества. Принцип действия «халькогенид-ной» ячейки памяти 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. На рис. 2 представлена микрофотография пленки Ge₂Sb₂Te₅ с увеличением 1500· в двух различных состояниях.

Рис. 2. Пленка Ge2Sb2Te5 при увеличении 1500х: а) в аморфном состоянии; б) в поликристаллическом состоянии (по материалам Structured Materials Industries, Inc.)

Для осуществления перехода между фазами используется нагрев, возникающий при прохождении через ячейку электрического тока. Быстрый нагрев выше точки плавления и последующее быстрое охлаждение позволяют перевести пленку в аморфное состояние, а относительно продолжительный нагрев до температуры чуть ниже точки плавления позволяет восстановиться кристаллической структуре материала. Практически достигнутое в опытных образцах время кристаллизации составляет уже не более 50 нс, что позволяет говорить о сопоставимости скорости записи CRAM и 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 нано-технологии.

Еще одна любопытная возможность халь-когенидной 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 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. Впрочем, усиление солнечной активности всего в несколько раз может привести к невозможности применения современной Flash-памяти в мобильных телефонах, компьютерах и других бытовых устройствах. В таком случае альтернатив CRAM практически не останется. Возможно, этим и объясняется повышенный интерес производителей к технологии, изобретенной Стэном Оушински в 1968 г.

Микросхемы CRAM и их применение

Обзор рынка микросхем, изготовленных по технологии CRAM, сделать чрезвычайно просто: на сегодняшний день потребителям во всем мире (а с 2009 г. и в России) доступно всего лишь одно семейство, выпускаемое корпорацией BAE Systems. Создавая первые в мире микросхемы по новой технологии, BAE решало практическую задачу обеспечения нужд NASA и министерства обороны США быстродействующей энергонезависимой памятью для приложений, функционирующих в условиях повышенной радиации и сильных электромагнитных полей. Результатом совместного применения разработанной Lockheed Martin Aerospace Electronic Systems (с 2000 г. это часть корпорации BAE Systems) технологии R25 изготовления радиационно-стойких CMOS-микросхем и лицензированной Ovonix структуры ячейки CRAM стало семейство изделий «8406746». В состав семейства входят два базовых кристалла объемом 2 и 4 Мбайт, а также многокристальные сборки, состоящие из 2-5 одинаковых модулей, размещенных в одном корпусе.

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 2·10⁷ рад/с;
• сохранение работоспособности после 50 нс импульсного облучения 1·10¹² рад/с;
• стойкость к ТЗЧ с энергией <120 МэВ-см²/мг;
• стойкость к нейтронному потоку до 1·10¹³ нейтронов на см².

Сложно ли интегрировать CRAM в существующие схемы бортовых вычислительных и управляющих электронных устройств? Нет. С точки зрения сигналов управления, халькогенидная микросхема памяти фактически идентична статическому ОЗУ и доступна для побайтового чтения (записи) в произвольном порядке с постоянным временем доступа, как это и должно быть для RAM (random access memory). Каждый байт (слово) записывается и считывается индивидуально, без необходимости манипуляций дополнительными буферами или управления какой-либо микросхемотехникой внутри кристалла. Структурная схема типичной CRAM представлена на рис. 3:

• Линии выбора адреса А0-А18 непосредственно адресуют 8-битные слова в массиве ячеек памяти.
• Двунаправленные линии DQ0-DQ7 осуществляют ввод и вывод данных.
• Сигнал /CS активирует микросхему памяти, выводя драйверы шины данных из состояния высокого импеданса.
• Сигнал /WE (write enable) активирует запись слова, а сигнал /OE (output enable) разрешает доступ к данным на чтение.
• Дополнительный сигнал /WP (write protect) блокирует запись данных и может использоваться для предотвращения случайной записи во время запуска системы по включению питания и в других ситуациях.

Рис. 3. Структурная схема микросхемы памяти CRAM

Очевидно, что простой и однозначный интефейс подключения CRAM позволяет применять эти микросхемы энергонезависимой памяти практически в любых электронных устройствах.

Микросхемы CRAM выпускаются в корпусах flatpack c количеством выводов 40 и 84 и доступны в различных конфигурациях от 256 Κ·8 до 512 Κ·40. Также доступны варианты исполнения со встроенной системой коррекции ошибок (ЕСС), которая уменьшает полезный объем сохраняемой информации в 2 раза, но значительно повышает надежность хранения. Типичный ток потребления при записи на максимальной частоте составляет 35 мА. На рис. 4 представлен внешний вид микросхемы CRAM в корпусе flatpack-40.

Рис. 4. Внешний вид микросхемы CRAM

Следует отметить, что поскольку R25 считается технологией двойного назначения, экспорт данных микросхем из США контролируется в соответствии с требованиями ITAR, и для приобретения CRAM требуется лицензия.