Память на основе фазового перехода - что это, как работает?

Мы привыкли, что в качестве ОЗУ используется DRAM, а для постоянного хранения данных все чаще используются не привычные жесткие диски, а более быстродействующие накопители с NAND-памятью. Есть еще SRAM, но она хоть и быстродействующая, но дорогая, и если и используется в компьютерах, то в виде кэша в процессорах. Уже довольно долгое время ведутся разработки новых типов запоминающих устройств, и об одном из них предлагаю сегодня поговорить. Посмотрим, что представляет собой память на основе фазового перехода (PCM). Что это, как устроено и как работает – попытаемся разобраться в вопросе.

Что такое PCM – память с изменением фазового перехода

В основе этого типа памяти лежит использование уникальных свойств вещества, известного как халькогенидное стекло. Вернее, это группа веществ, представляющих собой соединение халькогена и атомов одного или нескольких химических элементов, называемых металлоидами или полуметаллами. Эти элементы занимают в периодической системе место между металлами и неметаллами, откуда, собственно, и пошло их название.

Ценность халькогенидного стекла состоит в том, что оно способно менять свое фазовое состояние с аморфного на кристаллическое под воздействием тепла, которое образуется при протекании через него тока.

В аморфном состоянии материал имеет высокое электрическое сопротивление. В кристаллическом же состоянии халькогенидное стекло получает правильную кристаллическую структуру, что меняет свойства материала. Электрическое сопротивление становится малым благодаря тому, что ничто не мешает электронам перемещаться по кристаллу.

Для использования в качестве запоминающего устройства интерес представляют именно эти изменения электрического сопротивления, два состояний которых очень хорошо подходят для того, чтобы однозначно определять, что хранится в ячейке – «0» или «1».

Устройство

В простейшем случае ячейку памяти можно представить как заключенное между двумя электродами вещество, способное изменять свое фазовое состояние. Список металлоидов невелик, и не все элементы можно использовать. Так, полоний (Po) нестабилен и радиоактивен, и вряд ли кто-то из нас хотел бы, чтобы он присутствовал в запоминающих устройствах компьютеров. Кремний хорош для производства транзисторов, но вот на роль вещества с изменяемым фазовым состоянием подходит плохо.

Остаются германий (Ge), мышьяк (As), сурьма (Sb) и теллур (Te). Чаще всего используется сплав GST - германий, сурьма и теллур (Ge₂Sb₂Te₅). Другим используемым сплавом является AgInSbTe – серебро, индий, сурьма и теллур. В отличие от GST, он позволяет получать более высокую плотность ячеек в чипе, но имеет ресурс на 1-2 порядка ниже, чем у GST.

При этом стехиометрическое соотношение компонентов может изменяться по сравнению с исходными 2:2:5 германия, сурьмы и теллура. Еще в 2010 году компания Micron демонстрировала, что незначительное увеличение доли сурьмы в сплаве позволяет снизить необходимое для перевода ячейки в аморфное состояние напряжение и одновременно сократить время проведения данной операции.

Это дает разработчикам дополнительные возможности тонкого управления составом сплава для достижения необходимых характеристик. Например, формула Ge₂Sb₂Te₅ характерна для сплавов, применяющихся для изготовления перезаписываемых DVD, а вот диски Blu-ray используют другой состав сплава - Ge₈Sb₂Te₁₁.

Сама ячейка памяти PCM построена по схеме (1T/1R), т. е. используется один управляющий элемент. Обычно это либо MOSFET, либо биполярный (BJT) транзистор. Массив ячеек подключается к линии выборки слов и битов, что позволяет адресовать каждую ячейку.

Принцип действия

Давайте посмотрим на иллюстрацию выше и разберем, что там происходит. Предположим, что изначально сплав находится в аморфном состоянии, т. е. имеет высокое сопротивление. Если приложенное напряжение превышает некое пороговое значение (Vth), начинает протекать ток, который разогревает сплав.

Если в течение заданного промежутка времени (например, 100 нс) контролировать температуру нагрева, которая в данном случае составляет примерно 350°C, то окажется, что она слишком низка для того, чтобы материал расплавился, но вполне достаточна, чтобы сформировалась кристаллическая решетка, которая обеспечивает низкое значение электрического сопротивления. При этом кристаллическая структура не разрушается после того, как напряжение снимается и сплав остывает.

Теперь для того, чтобы прочитать значение хранимого в ячейке бита, а по сути, измерить сопротивление, не нужны высокие напряжения и токи. Достаточно приложить небольшое напряжение, скажем, 0.5 В, чтобы получить ток порядка 0.5 мА. Другими словами, получаем логическую «1».

Высокое напряжение и, соответственно, большой ток, понадобятся, когда надо будет перевести сплав обратно в аморфное состояние. В приведенном примере нужна температура порядка 600°C, которая приводит к расплавлению материала. После снятия напряжения сплав быстро охлаждается, при этом оказывается, что при проходе через область кристаллизации, времени для формирования какой-либо кристаллической структуры не хватает.

Теперь, если приложить то же напряжение в 0.5 В, высокое сопротивление аморфного сплава приводит к тому, что значение тока практически равно нулю. Тем самым получаем другое значение бита, хранящегося в ячейке – это логический «0».

В действительности, даже 0.5 В слишком много, чтобы определить разницу получаемого тока, проходящего через ячейку. На практике достаточно гораздо более низких значений.

Здесь можно сразу заметить разницу в работе ячеек по сравнению с привычной NAND. Для записи последняя требует процедуры очистки блока перед записью в него. PCM ячейки переводятся из одного состояния в другое без промежуточных воздействий на них. При этом не следует забывать, что в отличие от NAND памяти, PCM позволяет оперировать данными на уровне битов, а не блоков/страниц.

Достоинства и недостатки

Как у любой технологии памяти, будь то перспективная или широко применяемая в настоящий момент, у PCM есть свои плюсы и минусы, ибо не будь первых, то кто бы занимался разработкой этой темы, а вторые на то и даны, чтобы прикладывать усилия по их преодолению. Или хотя бы сведения их минимуму.

Память с изменением фазового перехода быстродействующая, раз в 500-1 000 быстрее уже привычной NAND. И это приближает ее (PCM) быстродействие к еще более обыденной DRAM. При этом энергонезависимость хранимых данных является неоспоримым преимуществом перед теми модулями ОЗУ, которые присутствуют в каждом компьютере.

Побитовый доступ позволяет получить гораздо более высокие значения скорости чтения и особенно записи в ячейки по сравнению с обычной NAND, т. к. не требуется выполнять целый ряд обязательных действий по подготовке ячеек памяти к перепрограммированию. Это объясняется тем, что NAND оперирует блоками данных, и для изменения даже одного бита приходится перезаписывать весь блок.

Помимо этого, побитовый доступ позволяет избавиться от такой довольно затратной операции, как копирование считанной информации в оперативную память для работы с ней, как это происходит с NAND. В ней приходится считывать блок данных и после этого извлекать необходимую информацию. В случае с PCM можно работать непосредственно с данными, хранящимися в ней, т. е. становится актуальным вопрос вычислений в памяти (In-memory computing).

Ячейки PCM потребляют меньше энергии, чем используемая в настоящее время флеш-память, и РСМ имеет потенциал по переходу на более тонкие технологические процессы производства, нежели NAND, у которой в этой области есть серьезные проблемы.

Есть и недостатки. В частности, это тот факт, что широкого коммерческого использования нового вида памяти пока что нет. Весьма малое количество разработчиков сумели довести свои чипы до промышленного выпуска.

Другой недостаток по сравнению с NAND – это хранение в одной ячейке одного бита, хотя для NAND стало нормой использование трехбитовых ячеек, и выпускаются уже четырехбитовые, которые позволяют повысить емкость накопителей. Скоростные показатели записи ячеек QLC оставим за рамками сегодняшнего материала.

Отчасти этот недостаток может быть компенсирован тем, что память PCM имеет потенциал перехода на использование более тонких технологических процессов, что увеличит плотность расположения ячеек на кристалле.

Среди всех проблем, существующих сейчас, одной из наиболее актуальных является технология производства. Обычно при изготовлении ячеек формируют сразу несколько слоев, т. е. на подложку наносится материал для нижнего электрода, затем слой GST, потом верхний электрод.

После этого при помощи масок и литографии производится травление, в результате чего получаются вертикальные структуры, являющиеся ячейками памяти. Тут есть ряд сложностей. Слои должны наносится точно, без дефектов, одинаковой толщины. С этим еще можно справиться, но вот этап травления представляет собой бОльшую сложность.

Применение технологии реактивного ионного травления (RIE) позволяет эффективно удалить материал при помощи масок за счет использования химически активной плазмы. Проблема в том, что PCM память чувствительна к температуре, и высокий нагрев при RIE увеличивает риск термального повреждения формируемых ячеек. Лучшим решением является применение технологии ионно-лучевого травления (IBE).

В данном случае новая технология изготовления памяти во многом требует инноваций и в используемом для производства оборудовании, и в материалах, особенно когда дело доходит до травления. Впрочем, то же самое можно сказать и о MRAM, и даже 3D NAND. Использование технологии IBE является едва ли не обязательным условием.

Еще одной сложностью является то, что если чипы DRAM и NAND производятся на одной фабрике, то в случае использования новых типов памяти в качестве встроенного ЗУ, их изготовление является частью производства всего чипа, и подложки приходится перемещать между различными фабриками/этапами.

Сначала изготавливается вся транзисторная часть будущего чипа на front-end-of-the-line (FEOL), после чего заготовка поступает на другую фазу процесса изготовления – backend-of-the-line (BEOL), где и происходит формирование встроенной энергонезависимой памяти. Как правило, она располагается поверх остальных элементов чипа. TSMC продемонстрировала образец, в котором встроенная память находилась между слоями соединений остальных элементов чипа.

Память на основе фазового перехода (PCM) – перспективы

Разработка этого типа памяти продолжается, и она оказалась несколько более сложной, чем представлялось. Не решены еще несколько проблем, от которых во многом зависит то, станет ли память на ячейках с изменяемым фазовым состоянием повсеместно используемой.

На данный момент только Intel-Micron удалось довести до коммерческого применения накопители, использующие память 3D XPoint, которая использует этот механизм действия. Тем не менее, стоимость таких устройств выше, чем у обычных SSD.

Компания STMicroelectronics также показала образцы микроконтроллеров (MCU), выполненных по технологии FD-SOI по 28-нанометровому техпроцессу со встроенным хранилищем PCM емкостью 16 МБ. Эти устройства предназначены для использования в автомобильной промышленности. Разработки SMIC и TSMC все еще находятся на этапе R&D.

Одной из областей применения, где PCM память будет востребована – это встроенные системы. Различные микроконтроллеры (MCU) используют флэш-память (преимущественно NOR-память) для хранения исполняемого кода. Для данных и наиболее часто используемых команд применяется SRAM.

Но на этот рынок устройств имеют свои «виды» и альтернативные технологии энергонезависимых запоминающий устройств – FeFET, FRAM, память на нанотрубках, MRAM, ReRAM. К сожалению, ни одна из этих технологий, по сути, не добралась до широкого практического применения. Некоторые еще не вышли из этапа R&D, другие – не готовы к широкому производству и т. п.

Наиболее близкой к коммерческому применению является MRAM, но говорить о том, что именно эта технология станет доминирующей, пока что слишком рано. Тем не менее, во встроенных системах новый тип памяти может использоваться в двух ипостасях.

Во-первых, заменить применяющуюся сейчас EEPROM и NOR флеш память. Сейчас MCU используют встроенную NOR-память, изготавливаемую по технологическому процессу 40 нм. Перспективные модели микроконтроллеров переходят на более тонкие 28 нм и 22 нм. Здесь новая, легче масштабируемая энергонезависимая память пришлась бы как нельзя кстати.

Во-вторых – замена дорогой статической памяти SRAM, которая используется в кэшах первого, второго и третьего уровня. Хотя работает она очень быстро, проблема в том, что и места занимает много. Основная цель на сегодня – заменить SRAM в кэше третьего уровня, что позволит сэкономить место в процессоре или микроконтроллере.

Кто станет победителем в гонке новых технологий, пока что не ясно. Неизвестно даже насчет MRAM, которая наиболее близко находится к коммерческому применению. Не гарантировано, что именно этот тип памяти станет наиболее лидером. Скорее всего, рынок будет поделен между разными технологиями. Вполне вероятно, что чипы STT-MRAM начнут активно проникать в SSD накопители. Впрочем, 3D XPoint продемонстрировала, что и память, использующая принцип изменения фазового состояния вещества, также может использоваться в устройствах хранения.

Другой областью, где PCM память может оказаться весьма востребованной, является оборудование для автомобильной промышленности, в частности, различные контроллеры для систем автономного управления и т. п. Особенностью такого применения является надежность работы при большом перепаде температур – от -40°C до +150°C.

Помимо этого, среди требований присутствует необходимость обеспечения надежности хранения записанной в ячейки информации на протяжении нескольких лет при температуре 150°C. Именно PCM выглядит наиболее предпочтительно в этом упражнении. Помимо прочего, чипы PCM могут поставляться уже запрограммированными, и последующая их пайка в состав устройства не приводит к потере информации. При условии, конечно, что пиковая температура при этом не превышала 260°C.

Тем не менее, есть еще ряд нерешенных проблем, как технических, так и стоимостных, что пока что препятствует началу широкого внедрения перспективных и многообещающих технологий систем хранения данных. Когда это произойдет, и произойдет ли – покажет будущее.

Поживем и посмотрим.