ПОЛИМЕРНАЯ ПАМЯТЬ (PFRAM)

Полимерная память (Polymer Memory) относится к категории флэш-памяти и может использоваться для энергонезависимого хранения данных. По оценкам аналитиков, удельный объем такой памяти, отнесенный к одному квадратному сантиметру площади, почти в 20 раз больше, чем у обычной флэш-памяти. Разработки этого типа памяти ведут многие компании, в частности компания Intel в содружестве с Thin Film Electronics – дочерней компанией шведской фирмы Opticom, впервые предложившей полимерную память еще в 1994 году. Специалистами Thin Film Electronics получена специфическая группа полимеров с двумя стабильными состояниями поляризации. Это позволяет программировать память путем изменения поляризации пленки сегнетоэлектрического полимера, заключенной между взаимно перпендикулярными металлическими шинами, и обеспечивает энергонезависимость памяти.

Пленка полимера может содержать и тонкопленочные транзисторы схем управления. Возможность формирования многослойных структур полимерной памяти позволяет получить ранее недостижимый объем памяти. Если для функционирования обычной кремниевой схемы памяти объемом 1 Гбит требуется 1,5-6,5 млрд транзисторов, то для памяти PFRAM-типа такого же объема их нужно только 500 тыс. При этом объем полимерной памяти размером с кредитную карту эквивалентен объему 400 тыс. CD-дисков или объему устройства, хранящего достаточно данных для воспроизведения музыки MPG-формата в течение 126 лет. При этом увеличение емкости памяти за счет нанесения дополнительных полимерных пленок не влечет за собой существенного увеличения потребляемой мощности.

Специалисты Intel считают, что PFRAM найдут применение в первую очередь в картах памяти цифровых фотокамер и другом бытовом оборудовании. Но прежде всего необходимо решить проблему обработки термочувствительного материала в условиях полупроводникового производства. И на вопрос, когда же начнется массовое производство PFRAM, можно ответить, что при удачном стечении обстоятельств не раньше чем в 2010 году.

PRAM

PRAM – это новый тип памяти, позиционируемый как универсальная замена и динамической, и флэш-памяти. В качестве признака состояния ячейки предлагается использовать изменение фазового состояния халькогенида (chalcogenide) – вещества, способного под воздействием нагрева и электрических полей переходить из непроводящего аморфного состояния в проводящее кристаллическое. Такая память известна также как «память с изменением фазового состояния» (phase change memory, PCM), PRAM и Ovonic Unified Memory. Она является энергонезависимой, то есть не требует электропитания для сохранения своего состояния.

Наряду с материалами, описывающими возможные перспективы производства мультигигабитных чипов PCM по 45- или 32-нм процессу, компания ST представила прототип 128-мегабитного чипа PCM, изготовленный по 90-нм технологии. К преимуществам PRAM-памяти относятся малая площадь ячейки, хорошие электрические характеристики и высокая надежность.

До сих пор халькогениды применялись в основном в перезаписываемых оптических носителях, где использовалась их способность к изменению не только электрических, но и оптических свойств, а коммерческая реализация PCM была затруднена из-за проблем с получением достаточно качественного материала и с энергопотреблением. Возрастание интереса к этому типу памяти связано с тем, что PCM лучше подходит для применения вместе с более «тонкими» литографическими техпроцессами, чем динамическая или флэш-память.

MRAM

MRAM (Magnetic Random Access Memory) – это один из перспективных типов энергонезависимой памяти, которая может прийти на смену как динамической оперативной памяти DRAM, так и статической памяти SRAM и флэш-памяти.

Вместо конденсаторов, применяемых в микросхемах DRAM, технология MRAM предусматривает использование тонкой магнитной пленки. В привычных нам микросхемах памяти информация сохраняется благодаря формированию соответствующим образом распределенного заряда конденсаторов, а в устройствах MRAM это будет осуществляться за счет намагничивания пленки.

Одно из преимуществ новой технологии заключается в том, что, в отличие от DRAM, память MRAM является энергонезависимой. В микросхемах DRAM информация хранится в конденсаторах, и при отключении питания происходит ее потеря. Это означает, что для длительного хранения информацию необходимо переписывать на жесткий диск, имеющий магнитную поверхность. Благодаря энергонезависимости память MRAM позволяет преодолеть это ограничение. Таким образом, при отключении питания не пропадет ни бита.

Применение эффекта магнитной поляризации вместо электрического заряда подразумевает отсутствие необходимости периодического обновления памяти MRAM. Таким образом, отпадает надобность и в загрузке компьютера в начале каждого сеанса работы. Пользователи получат в свое распоряжение устройства постоянной готовности. Времени на их включение уйдет не больше, чем на включение телевизора.

Еще одно преимущество памяти MRAM состоит в том, что она обеспечивает заметное сокращение расхода энергии батарей. Ведь, в отличие от микросхем SRAM и DRAM, здесь не требуется постоянного энергоснабжения.

Технология MRAM выглядит многообещающей. Конечно, пройдет еще немало времени, прежде чем память MRAM появится в коммерческих системах. Но если данная технология будет развиваться в правильном направлении, то со временем она вытеснит с рынка микросхемы DRAM.

Таблица 1 – Сравнительные характеристики различных технологий памяти

Собственно, первоначально прогнозировалось, что первые образцы MRAM-памяти появятся на рынке уже в 2004 году, а в 2005-м спрос на память составит 40 млрд долл. Именно такие прогнозы делались в 2001 году.

Исследования по технологии производства MRAM ведут такие известные компании, как IBM, Infineon, Motorola (Freescale), Toshiba, NEC, Sypress. Все они весьма серьезные фирмы на рынке электроники, и подозревать их в легкомысленной трате денег на бесперспективные исследования не стоит. По мнению специалистов компании Northen Lights semiconductor Corp. [9], MRAM обладает рядом преимуществ перед всеми остальными типами памяти, в том числе перед FRAM. (Компания производит ряд специальных изделий, оснащенных встроенной энергонезависимой памятью, в частности микроконтроллеры и RFID-карты.) Достоинства названной технологии, по оценке специалистов компании, отражены в таблице 1.

Однако производство MRAM-памяти до сих пор не вышло на уровень массового, серийного, хотя периодически делаются анонсы о разработке новых типов MRAM-памяти различными компаниями. Совсем недавно фирма Freescale Semiconductor сообщила о начале выпуска чипов нового типа MRAM-памяти, пригодных для коммерческого использования.

FERAM

Ferroelectric RAM (FeRAM) – это тип сегнетоэлектрической энергонезависимой памяти, который может стать альтернативой DRAM- и SRAM-памяти.

Впервые работающий образец FeRAM был получен еще в 1992 году в лабораториях компании Symetrix. С тех пор такая память вызывает пристальное внимание со стороны индустрии. Достаточно сказать, что с 1992-го по 2002 год по данной теме было выдано свыше 360 патентов, что свидетельствует о всевозрастающем интересе к этой нише сегнетоэлектриков и, главное, к их практическому применению.

Основными элементами ячеек FeRAM памяти являются сегнетоэлектрические транзисторы (ferroelectric transistor) и конденсаторы (ferroelectric capacitor), обладающие переменными ферромагнитными свойствами.

По принципу действия ячейки FeRAM-памяти во многом схожи с ячейками обычной DRAM-памяти. Напомним, что DRAM-память представляет собой массив ячеек, состоящих из одного конденсатора и управляющего транзистора (схема 1T-1C). Размер ячейки памяти зависит от технологического процесса производства. К примеру, при использовании 90-нм техпроцесса размер ячейки памяти составляет 0,22 мкм2. Данные в ячейке DRAM-памяти ассоциируются с наличием или отсутствием заряда в конденсаторе.

Ячейка FeRAM-памяти подобна ячейке DRAM-памяти в том смысле, что данные в ней ассоциируются с наличием или отсутствием заряда на конденсаторе. Разница заключается в особых свойствах диэлектрика конденсатора, который в FeRAM-памяти обладает ферромагнитными свойствами. Под воздействием приложенного к конденсатору напряжения диэлектрик поляризуется, но после исчезновения напряжения он обладает остаточной поляризацией, что позволяет конденсатору удерживать заряд при отсутствии внешнего питания. Для того чтобы разрядить конденсатор, необходимо приложить к нему отрицательное напряжение. Таким образом, в ферромагнитных диэлектриках зависимость поляризации от приложенного напряжения неодинакова при увеличении и уменьшении напряжения. Это свойство диэлектриков принято изображать в виде петли гистерезиса.

На данный момент выделяют три основных типа ячеек FeRAM-памяти: одноконденсаторная ячейка 1С FeRAM, называемая еще SFRAM (Statically Read Ferroelectric Random Access Memory – аналог SRAM); наиболее распространенная транзисторно-конденсаторная ячейка 1Т-1С FeRAM и наиболее стабильная из всех вышеперечисленных двойная ячейка 2T-2C FeRAM. [6]

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

К сожалению, ни один из разрабатываемых сегодня подходов не лишен недостатков, и пока еще память, изготовленная по новым технологиям, не может полностью и повсеместно заменить «старые» варианты. Имеющиеся сегодня образцы ИС не являются идеальной и универсальной памятью, сочетающей лучшие качества SRAM (высокая скорость работы и произвольный доступ), Flash и DRAM (низкое потребление и очень высокая плотность ячеек). Но мечта многих разработчиков стала понемногу приобретать реальные очертания. Вот только момент ее окончательного воплощения в конкретный продукт откладывается на неопределенное время.

Вероятно, разнообразие требований, предъявляемых к электронной аппаратуре, наложит свой отпечаток и на применимость тех или иных типов энергонезависимой памяти. Будут существовать области электроники, где предпочтение отдается, например, быстродействию, но будут также области, где важнее энергопотребление. Скорее всего, еще долгое время не удастся разработать тот единственный тип технологии, который позволил бы производить память со всеми желаемыми свойствами идеального универсального чипа и при этом имел бы низкую стоимость.

Ни одна из новых технологий по объемам продаж в ближайшие несколько лет не сможет представить серьезной конкуренции Flash. Гигантская емкость, очень низкое энергопотребление и все продолжающееся сокращение времени доступа делают этот тип памяти незаменимым. Тем не менее Flash не сможет подменить собой все остальные типы и стать ни оперативной памятью данных в измерительных приборах, ни программной памятью компьютеров в силу присущих ей ограничений по числу обращений и по возможностям адресации. Она лучше всего подходят для записи и хранения больших и редко обновляющихся массивов информации, и ее не рекомендуется применять в устройствах с частой перезаписью.

Ближайшим конкурентом Flash сегодня является память типа FRAM в традиционном интегральном исполнении, но имеющиеся серийные образцы пока еще сильно отстают от Flash. Причем лучшие образцы ИС в обеих технологиях по объему памяти отличаются более чем в 1000 раз, по удельному энергопотреблению почти во столько же раз, а по времени доступа микросхемы Flash и FRAM почти одинаковы. Единственной преимущество FRAM — возможность произвольной адресации. Число циклов записи FRAM хоть и велико, но тоже, как и у Flash, конечно. Разрушающее чтение и необходимость в восстановлении данных ограничивают скоростные параметры данного типа памяти. Разумеется, это не означает, что данная технология тупиковая ветвь развития энергонезависимой памяти. ИС FRAM несомненно найдут свою нишу на рынке электронных приборов хотя бы потому, что они почти идеально подходят для взаимодействия с 8-разрядными микроконтроллерами, поскольку имеют примерно равные скорости работы. К тому же эту память характеризует относительно низкое потребление. (В сравнении с существующими серийными ИС MRAM, например, оно меньше примерно в 10 раз!)

Магнито-резистивная память MRAM быстрее всех остальных конкурентов и не имеет ограничений на число обращений, но энергопотребление и стоимость не позволяют применять ее в массовых товарах. Если бы эра электронных компонентов, начавшаяся с появлением IBM PC, не сменилась эрой мобильной и портативной электроники с батарейным питанием, то перспективы MRAM виделись бы более радужными, чем теперь.

Сейчас экономичность – одно из важнейших качеств, каким должен обладать претендент на место универсальной памяти. Конечно, MRAM найдется место в аппаратуре и, прежде всего, в стационарных высокоскоростных устройствах с обычными источниками питания, таких как оптоволоконные линии связи, радиолокация, научные исследования в ядерной физике и т. п., но массовым продуктом она пока быть не сможет.