Микросхемы памяти ведущих производителей

Развитие систем памяти имеет много аспектов. Ранее на страницах этого журнала автором в основном рассматривались технические вопросы развития памяти на микросхемах, тенденции и проблемы ее совершенствования [1]. Теперь мы проанализируем развитие номенклатуры и характеристик образцов элементной базы ряда ведущих фирм-производителей микросхем полупроводниковой памяти, продукция которых доступна потребителям России и стран СНГ. Будут использованы материалы новой книги о микросхемах памяти [2] и ряда других источников. В гораздо меньшей степени в статье затрагиваются последние научно-технические достижения, определяющие перспективное развитие систем памяти, из них будут выделены только те, которые, на наш взгляд, могут оказать уже в ближайшем будущем существенное влияние на развитие систем памяти, особенно микросхем памяти.

Развитие систем памяти

Развитие систем памяти происходит путем создания запоминающих устройств, построенных на новых физических принципах, и совершенствования имеющихся типов памяти. На рис. 1 показана достаточно упрощенная классификация устройств памяти, в основу которой положен тип носителя информации.

В свою очередь, классификация микросхем памяти, являющихся компонентом электронной памяти [1], непрерывно развивается за счет появления новых «фирменных» обозначений. Так, например, компании Fujitsu и Toshiba договорились о совместной разработке высокоскоростных микросхем памяти следующего поколения, известных как Fast-Cycle Random Access Memory — быстродействующее ОЗУ (FCRAM). Технология FCRAM использует новую архитектуру памяти для ускорения оперативных циклов в два-три раза по сравнению с традиционными динамическими ОЗУ (DRAM). В соответствии с соглашением, компании совместно будут разрабатывать 64-, 128- и 256-мегабитные FCRAM для использования в качестве ЗУ специального назначения в приложениях, не входящих в оперативную память персональных компьютеров.

Чипы будут использоваться в персональных цифровых сопроцессорах, принтерах, телевизорах и других мультимедийных устройствах.

Другим примером, но уже более радикального расширения номенклатуры памяти по типу носителя информации может служить так называемая «молекулярная память», которая является разновидностью оптической памяти. Здесь в качестве ячеек памяти используются молекулы протеина, который называется бактериородопсин и присутствует в мембране микроорганизма, обнаруженного в соляных болотах, где температура может достигать +150 °С. Когда уровень содержания кислорода в окружающей среде настолько низок, что для получения энергии невозможно использовать дыхание (окисление), он для фотосинтеза использует протеин. Молекула способна сохранять свои стационарные состояния в течение примерно пяти лет, причем указанные состояния имеют существенно отличающиеся спектры поглощения в оптическом диапазоне. Это позволяет определить текущее состояние молекулы с помощью лазера, настроенного на соответствующую частоту.

Чтобы защититься от ошибок, при операциях чтения-записи с помощью лазеров используются методы помехоустойчивого кодирования. Страница данных может быть прочитана без разрушения до 5000 раз.

По сравнению с уже достаточно хорошо известной голографической памятью здесь информация не связана с фазой оптического излучения, что потенциально упрощает конструкцию устройства. Теоретически кювета объемом несколько кубических сантиметров может вместить около одного терабайта данных. Ограничения на емкость связаны, в основном, с проблемами линзовой системы устройства оптической записи-считывания и качеством протеина.

Сможет ли молекулярная память конкурировать с традиционной полупроводниковой памятью? Ее конструкция, безусловно, имеет определенные преимущества. Во-первых, она основана на протеине, который производится в большом количестве и по невысокой цене, чему способствуют достижения генной инженерии. Во-вторых, система может функционировать в более широком диапазоне температур, чем полупроводниковая память. В-третьих, данные сохраняются постоянно — даже если выключить питание системы памяти, это не приведет к потере информации. И, наконец, кубики с данными, имеющие маленькие размеры, но содержащие гигабайты информации, можно помещать в архив для хранения копий (как магнитные ленты). Так как кубики не содержат движущихся частей, это удобнее, чем использование портативных жестких дисков или картриджей с магнитной лентой.

Специалисты фирмы Intel, безусловно являющейся одним из мировых лидеров в создании устройств памяти, сообщили о создании «пластмассовых» ЗУ, или полимерной сегнетоэлектрической памяти (PFRAM).

Структуру полимерной PFRAM-памяти формируют два расположенные под прямым углом друг к другу слоя металлических полос, разделенные тонкой полимерной пленкой. Ячейку памяти образует область под пересечением металлических полос. Для записи или считывания данных достаточно изменить поляризацию полимерной пленки, то есть для хранения данных транзисторы не нужны. Схема памяти изготавливается на кремниевой подложке с КМОП-устройствами управления. На такой подложке с помощью простой операции центрифугования может быть сформировано до восьми слоев полимерной памяти, то есть затраты на изготовление PFRAM чрезвычайно низкие: по утверждению разработчиков, они составляют около 1/8 затрат на производство КМОП-памяти. Важное достоинство полимерного ЗУ — низкая потребляемая мощность: в режиме ожидания энергия не потребляется, не нужно обновлять данные. Правда, по времени записи данных (50 мкс) PFRAM существенно уступает имеющимся образцам Flash-памяти. Тем не менее для большинства бытовых устройств, требующих памяти большого объема, особенно на сменных платах, это достаточно перспективный тип ЗУ.

В другом типе полимерной памяти, так называемой унифицированной памяти фирмы Ovonics (Ovonics Unified Memory — OUM), как и в современных CD-ROM с возможностью перезаписи, используются халькогениды — материалы с фазовым изменением состояния. При воздействии лазерного излучения (как в CD-ROM или DVD) или электрического тока (как в памяти типа OUM) на аморфный халькогенид атомы его занимают более упорядоченное положение, и фазовое состояние халькогенида изменяется. При этом проводимость материала может изменяться в три раза. Это явление и лежит в основе элемента памяти. Данные считываются путем измерения сопротивления ячейки памяти.

На сегодняшний день фирмой Intel по технологии 0,18 мкм создан тестовый 4-мегабитный OUM-чип, продемонстрировавший возможность формирования базовой ячейки памяти малых размеров. Значения времени записи и считывания ячейки не превышают 100 нс, «износоустойчивость» достигает 10¹² циклов записи-стирания. Таким образом, память OUM-типа превосходит Flash-память по быстродействию, будучи таким же энергонезависимым ЗУ.

Полупроводниковая память

Вернемся, однако, к полупроводниковой памяти. Известно, что характеристиками ОЗУ, являющегося основой системы памяти, являются: информационная емкость, быстродействие и энергопотребление. На практике, в аспекте взаимозаменяемости микросхем памяти, большое значение также играет тип корпуса.

Разнообразие типов микросхем памяти, построенных на различных физических принципах, объясняется различными требованиями, предъявляемыми разработчиками электронной аппаратуры к системе памяти и ее элементам. Вполне очевидным является то, что памяти универсального типа не существует и прогресс наблюдается применительно к ее различным компонентам.

Табл. 1 позволяет в первом приближении сравнить между собой различные типы памяти с точки зрения их потребительских свойств.

Оценивая указанные в табл. 1 типы памяти, можно отметить следующее. Высокая плотность и низкая стоимость единицы памяти относятся к динамическим ОЗУ. Масочные ПЗУ — наиболее дешевая память только для чтения и не нуждается в подпитке при хранении. Репрограммируемое ПЗУ обладает многими положительными качествами, но имеет ограниченное число циклов стирания-записи (около 10 000), длительное время записи и низкую плотность.

Flash-память объединяет возможность электрического стирания ЭСППЗУ с ячейкой, подобной программируемому СППЗУ. В результате модифицированная ячейка может быть стерта электрически в блоке с другими ячейками. Эта характеристика позволяет Flash-памяти принимать новый код или информацию в системе.

Цена на полупроводниковую память (DRAM, SRAM, ROM, Flash и другие виды) в большой степени определяется количеством кремния, необходимым для запоминания одного бита информации. Как и другие типы полупроводниковой памяти, Flash-память, которая позволяет хранить данные даже при отсутствии питания, достигла больших плотностей и довольно низкой цены за счет развития технологии масштабирования, то есть уменьшения характерного размера транзистора.

Комбинация энергонезависимости, программируемости при помощи электричества и низкой цены стала на сегодняшний день очень привлекательной для портативных систем, не имеющих доступа к постоянным источникам питания, таким, какими являются батареи. Например, большинство продаваемых сегодня сотовых телефонов снабжены Flash-устройствами.

Устройства на Flash-памяти сейчас встраиваются в 90 % всех персональных компьютеров, более чем в 90 % сотовых телефонов и в 50 % всех модемов. Они также находят применение в черных ящиках самолетов, медицинском записывающем оборудовании, цифровых автоответчиках, детских игрушках, принтерах, сетевых маршрутизаторах и проч., и проч. Также Flash-память является одной из составляющих в цифровой аудио- и видеотехнике, где она используется в качестве носителя аудио- и видеопотоков.

Обычно уменьшение цены и увеличение плотности памяти связано с уменьшением размеров транзисторов при переходе от одной технологии производства к другой (это справедливо для любого типа полупроводниковой памяти, в том числе и DRAM, и SRAM). При этом на одинаковых по площади кремниевых пластинах может располагаться большее количество ячеек памяти, что влечет уменьшение цены за единицу объема (памяти). За последние 10 лет размер ячейки памяти уменьшился в 18 раз только из-за перехода на новые технологические процессы. Кроме того, улучшается и процесс конструирования самой памяти, что вместе с технологическими улучшениями дало 100-кратный прирост плотности размещения ячеек памяти за последние 10 лет.

Ячейка Flash-памяти состоит только из одного транзистора, где может храниться один бит информации. Для SRAM, к примеру, требуется 6 транзисторов (или 4 транзистора и 2 резистора), для DRAM — один транзистор и одна емкость, для EPROM — два транзистора. Один транзистор считался наименьшей единицей для хранения одного бита данных, однако еще в 1992 году группа инженеров компании Intel начала разработки с целью уменьшить удельную площадь кремниевой пластины, требуемой для хранения одного бита данных. Они решили использовать только часть транзистора для хранения бита данных — транзистор должен хранить не один, а несколько бит данных.

Ячейка Flash-памяти — это транзистор с плавающим затвором (рис. 2), который позволяет хранить электроны, при этом поведение транзистора зависит от количества электронов. Операция программирования (заряд плавающего затвора) создается потоком электронов между истоком и стоком транзистора. Часть этих электронов набирает достаточное количество энергии, чтобы преодолеть барьер Si-SiO₂ и оказаться запертой на плавающем затворе. Если заряд плавающего затвора у однобитного транзистора меньше заданной величины (например, 5000 электронов), то это означает, что ячейка хранит логическую «1», а если заряд больше другой заданной величины (например, 30 000 электронов), то «0». Заряд плавающего затвора вызывает изменение порогового напряжения транзистора, и при операции чтения измеряется величина этого порогового напряжения, по нему определяется количество заряда на плавающем затворе и, соответственно, его состояние как ячейки памяти.

Используя контролируемый метод программирования, на плавающий затвор можно поместить достаточно точное количество заряда (с шагом в единицу заряда одного электрона, то есть величина заряда будет изменяться практически непрерывно).

Следующим шагом, который сделали инженеры компании Intel, было создание элемента Flash-памяти, у которого программирование позволяло создать четыре состояния. Эта технология, названная MLC (Multi-Level-Cell), была представлена фирмой Intel под торговой маркой StrataFlash. Благодаря такой памяти можно перейти к следующему поколению технологии изготовления, используя оборудование предыдущего.

Если рассматривать данный процесс с точки зрения теории кодирования, каждое состояние плавающего затвора транзистора будет соответствовать определенному кодовому слову длиной в два элемента алфавита кода (например, как это показано на рис. 3, «0» или «1»). На рис. 3 показан вариант распределения порогового напряжения транзистора, позволяющий использовать простейший код положений для хранения в каждом из них 2 бита информации.

При создании новой технологии решались три основные задачи:

• Точное размещение заряда: программирование ячейки Flash-памяти должно очень хорошо контролироваться (что требует детального изучения физики программирования). Это значит, что во время программирования нужно подводить к ячейке ток на строго определенное время.
• Точное чтение количества заряда: операция считывания — это, в основном, аналогоцифровое преобразование величины заряда, сохраненного в ячейке, в цифровые данные.
• Надежное хранение заряда: для сохранения заряда на долгое время ставилась цель сделать его утечку меньше одного электрона за день.

Такой тестовый чип был сделан в 1994 году и доказал возможность сохранения нескольких бит информации в одной ячейке памяти. Главной целью разработчики поставили для себя надежность этой памяти. Различия в состояниях зарядов составляют несколько тысяч электронов, и утечка даже одного электрона в день даст ошибку в бите уже за десять лет хранения.

Скорость чтения одного блока для StrataFlash-памяти превосходит скорость чтения для обычной памяти более чем в полтора раза. Это связано с тем, что из одной ячейки памяти одновременно считываются два бита информации, а не один, зато прибавляется некоторое время, требуемое для декодирования полученной информации. Это же относится и к записи данных.

В ближайшей перспективе фирма Intel собирается разработать ячейку StrataFlash-памяти, которая хранила бы 4 бита в одной ячейке. Такая память, по планам, должна появиться уже в 2003 году.

«Ахиллесовой пятой» Flash-памяти является утечка заряда. Действительно, в ОЗУ традиционного типа на конденсаторах их ток утечки периодически компенсируется, что в целом ухудшает характеристики устройства электронной памяти. Flash-память является энергонезависимым типом памяти, но в силу реально существующих физических процессов срок хранения данных ограничен, что в конечном итоге ограничивает сферы практического применения устройств памяти данного типа. Разработчики фирмы Agere Systems (ранее отделение микроэлектроники компании Lucent Technologies) сообщили о разработке Flash-подобного энергонезависимого запоминающего устройства, в котором каждая ячейка памяти разбита на 20–40 тыс. малых ячеек («корзинок»). Даже если несколько таких «корзинок» протекут, большая часть заряда не потеряется, и данные, хранимые в ячейке, не будут потеряны. Плавающие затворы накопительных транзисторов состоят из нанокристаллов диаметром 5–10 нм, формируемых разработанным Калифорнийским университетом аэрозольным методом нанесения покрытия в высокотемпературной кислородной ванне. Основная трудность метода — достижение равномерного распределения нанокристаллов. Тем не менее разработчики утверждают, что метод намного дешевле традиционной литографии и позволяет сократить продолжительность технологического процесса формирования устройств памяти. Более того, он позволит продвигаться в область все меньших размеров элементов. Созданные ячейки памяти отличаются чрезвычайно высокой «живучестью»: испытания показали, что они выдерживают 106 циклов зарядки-разрядки без значительной деградации параметров.

Исследователями не забыт и основной компонент полупроводниковой памяти — кремний. Специалисты фирмы IBM в результате фотомеханической обработки исходного материала получили так называемый «деформированный кремний» (strained silicon), пленка которого за счет управляемого изменения ориентации атомов позволяет увеличить скорость прохождения электронов через элементы транзистора и тем самым увеличить быстродействие ключевых элементов на десятки процентов.

Проблема взаимозаменяемости микросхем памяти

Прогресс развития запоминающих устройств и их компонентов впечатляет, но потребителя в своей повседневной деятельности часто мучают более прозаические проблемы — что использовать при разработке ЗУ на микросхемах или чем заменить вышедшую из строя микросхему?

Отечественные разработчики электронной аппаратуры обычно ориентируются на традиционных поставщиков элементной базы, создаваемые ими устройства имеют характерные особенности конструкции. Находящиеся в эксплуатации устройства требуют постоянного обслуживания и ремонта, объем которых прогрессивно возрастает. Специалисты вынуждены использовать или сохранившиеся на складах компоненты или продолжающую выпускаться рядом фирм морально устаревшую элементную базу, или искать аналоги вышедшим из строя элементам среди новых образцов. Данные особенности российского производства, рынка продаж и услуг в области электронной техники в достаточно полной мере отражены в этой статье.

В виде таблиц представлен спектр параметров компонентов памяти ряда известных фирм, поставляющих свою продукцию в Россию и страны СНГ. Приведена краткая характеристика данных поставщиков с точки зрения возможности применения их продукции в практике работы специалистов по электронике. Таблицы аналогов микросхем памяти, производимых различными фирмами, позволят специалисту подобрать заменитель вышедшего из строя элемента.

В настоящее время поставщики, действующие на российском рынке электронных компонентов, предоставляют весьма широкий выбор микросхем памяти всех классов от различных производителей. Заслуженной популярностью пользуется продукция фирм Alliance, Cypress, Samsung, Toshiba, IDT. Все большее применение находит продукция фирм, появившихся на российском рынке относительно недавно, — Brilliance Semiconductor Inc. (BSI), GSI Technology, Integrated Circuit Solution Inc. (ICSI) и др. Таким образом, проблема выбора в значительной степени сводится к выбору производителя и, соответственно, поставщика.

В табл. 2–7 приведен перечень наиболее популярных позиций, производимых в настоящее время с учетом их совместимости по характеристикам и электрическим параметрам. Чертежи корпусов можно найти в литературе [2].

Примечание: в табл. 2–4 по продукции Samsung и Hyundai приведены последовательно старые и современные наименования.

Из таблиц видно, что в настоящее время на рынке микросхем памяти нет недостатка в предложениях от различных производителей и поставщиков. Очень часто по каждому конкретному запросу можно предложить 4–5 вариантов различных наименований, обладающих примерно одинаковыми характеристиками и параметрами. В этой ситуации проблема выбора звучит скорее не как вопрос «где достать?», а как поиск оптимального варианта из нескольких возможных.

Проблема выбора производителя микросхем памяти

Авторы, проанализировав состояние российского рынка и учитывая данные, полученные от западных компаний-дистрибьюторов, приводят свои рекомендации по подбору микросхем памяти различных производителей, которые представлены в табл. 8 [2].

При составлении данной таблицы учитывались как технические характеристики по каждому производителю, так и соотношение «цена — качество» по каждому классу изделий.

За консультацией можно обратиться по электронной почте semicond@pit.spb.ru.

Литература

1. Дмитриев В. И., Петров А. В. Микросхемы памяти: вчера, сегодня, завтра // Компоненты и технологии. 2001. № 7.
2. Дмитриев В. И., Петров А. В. Микросхемы памяти: начало нового века // СПб.: ПетроИнТрейд. 2001.