Жаңа фазалық өзгеріс жадының түрлері

Кіріспе

Жаңа компьютерлік жад түрі

Фазалық өзгермелі жад (PCM, PCME, PRAM, PCRAM, OUM (овоникалық біріктірілген жад) және C RAM немесе CRAM (халькогенидтік жад)) – ұшпайтын кездейсоқ сұраныс жадының бір түрі. PRAM құрылғылары халькогенидтік шынының ерекше қасиеттерін пайдаланады. PCM-де, әдетте титан нитридінен жасалған жылыту элементі арқылы электр тогының өтуінен пайда болатын жылу, шыныны жылдам қыздыру және салқындату арқылы аморфтық күйге келтіруге немесе оны кристалдану температурасының диапазонында ұстап, кристалдық күйге ауыстыруға қолданылады. PCM бірнеше ерекше аралық күйлерге қол жеткізуге де қабілетті, соның арқасында бір жасушада бірнеше бит сақтау мүмкін. Алайда, жасушаларды осылай бағдарламалаудағы қиындықтар бұл мүмкіндікті басқа технологияларда (әсіресе флэш-жадта) бірдей мүмкіндікпен іске асыруға кедерес келтірді. Жақындағы PCM зерттеулері фазалық өзгеріс материалы Ge2Sb2Te5 (GST) үшін тиімді материалдық баламаларды табуға бағытталған, бірақ нәтижелері әртүрлі. Басқа зерттеулер лазерлік импульс арқылы германий атомдарының координациялық жағдайын өзгерту арқылы жылулық емес фазалық өзгерістерге қол жеткізу үшін GeTe–Sb2Te3 суперрешетінің жасалуына бағытталған. Бұл жаңа Интерфейстік Фазалық Өзгермелі Жады (IPCM) көптеген жетістіктерге қол жеткізді және осы күні де белсенді зерттеулердің орталығы болып табылады. Леон Чуа барлық екі терминалды ұшпайтын жад құрылғыларын, соның ішінде PCM-ді мемристорлар деп қарастыру қажет деп санайды. HP Labs-тің Стэн Уильямс та PCM-ді мемристор деп қарастыру керек екенін айтты. Дегенмен, бұл терминология сынға ұшырады және мемристор теориясының кез келген физикалық құрылғыға қолданылу мүмкіндігі күмәнді.

Өмірбаян

1960 жылдары Энергияны түрлендіру құрылғыларының (Energy Conversion Devices) маманы Стэнфорд Р. Овшинский алғаш рет фазалық өзгерісті жад ретінде пайдалану мүмкіндігі бар халькогенидті шынылардың қасиеттерін зерттеді. 1969 жылы Чарльз Си Айова штатының университетінде диссертация қорғады, онда халькогенидті пленканы диодтық тізбекпен интеграциялау арқылы фазалық өзгерісті жад құрылғысын жасау мүмкіндігін сипаттап, оның дұрыстығын көрсетті. 1970 жылы жүргізілген кинематографиялық зерттеу халькогенидті шыныдағы фазалық өзгерістің механизмі электр өрісінің әсерінен туындаған кристалдық жіпшелердің өсуімен байланысты екенін анықтады. 1970 жылдың қыркүйек айында «Электроника» журналында Intel компаниясының негізін қалаушы Гордон Мур осы технология туралы мақала жариялады. Дегенмен, материалдың сапасы және энергия тұтыну мәселелері технологияны коммерциялық деңгейге көтеруге кедергі келтірді. Соңғы кезде осы салаға қызығушылық қайта оянды және зерттеулер жанданды, себебі чип литографиясы кішірейген сайын флэш және DRAM жад технологиялары масштабтау қиындықтарына тап болады деп күтілуде. Халкогенидті шынының кристалдық және аморфтық күйлерінің электрлік кедергі көрсеткіштері күрт өзгешеленеді. Аморфты, жоғары кедергілі күй – 0, ал кристалдық, төмен кедергілі күй – 1 болып бейнеленеді. Халкогенид – қайта жазуға болатын оптикалық дискілерде (мысалы, CD-RW және DVD-RW) қолданылатын материал. Бұл жағдайда материалдың электрлік кедергісі емес, оптикалық қасиеттері өзгертіледі, себебі халькогенидтің сыну көрсеткіші де материалдың күйіне байланысты өзгереді. PRAM әлі де тұтынушылық электроника құрылғылары үшін коммерциялық деңгейге жетпегенімен, барлық прототиптік құрылғыларда германий (Ge), сурьма (Sb) және теллур (Te) қоспасынан жасалған GeSbTe (GST) халькогенид қорытпасы қолданылады. GST-дегі Ge:Sb:Te элементтерінің қатынасы 2:2:5 құрайды. GST 600°C-тан жоғары температураға дейін қыздырылғанда, оның халькогенидтік кристалдылығы жоғалады. Салқындатылғаннан кейін ол шыны тәрізді аморфтық күйге өтеді және электрлік кедергісі артады. Халкогенидті кристалдану температурасынан жоғары, бірақ балқу температурасынан төмен температураға дейін қыздырғанда, ол кедергісі әлдеқайда төмен кристалдық күйге айналады. Бұл фазалық өзгерістің аяқталу уақыты температураға байланысты. Халкогенидтің салқын бөліктерінің кристалдануына көбірек уақыт керек, ал қатты қызған бөліктері қайтадан балқып кетуі мүмкін. Әдетте 100 нс шамасындағы кристалдану уақыты қолданылады. Бұл қазіргі заманғы DRAM сияқты дәстүрлі ұшпалы жад құрылғыларынан ұзақ, олардың ауысу уақыты екі наносекундқа тең. Алайда, 2006 жылғы қаңтарда Samsung Electronics компаниясы берген патенттік өтініште PRAM бес наносекундтық жылдамдықпен ауысу уақытына қол жеткізе алатыны көрсетілген. 2008 жылы Intel және ST Microelectronics компаниялары материалдың күйін дәлірек бақылап, оны төрт түрлі күйдің біріне айналдыруға мүмкіндік берді: бұрынғы аморфтық немесе кристалдық күйлер, сондай-ақ екі жаңа жартылай кристалдық күйлер. Бұл күйлердің әрқайсысының әртүрлі электрлік қасиеттері бар, оларды оқу кезінде өлшеуге болады, бұл бір жад ұясының екі бит ақпаратты сақтауына мүмкіндік береді, жад тығыздығын екі есеге арттырады.

In the 1960s, Stanford R. Ovshinsky of Energy Conversion Devices first explored the properties of chalcogenide glasses as a potential memory technology. In 1969, Charles Sie published a dissertation at Iowa State University that both described and demonstrated the feasibility of a phase change memory device by integrating chalcogenide film with a diode array. A cinematographic study in 1970 established that the phase change memory mechanism in chalcogenide glass involves electric field induced crystalline filament growth. In the September 1970 issue of Electronics, Gordon Moore, co founder of Intel, published an article on the technology. However, material quality and power consumption issues prevented commercialization of the technology. More recently, interest and research have resumed as flash and DRAM memory technologies are expected to encounter scaling difficulties as chip lithography shrinks. The crystalline and amorphous states of chalcogenide glass have dramatically different electrical resistivity values. The amorphous, high resistance state represents a binary 0, while the crystalline, low resistance state represents a 1. Chalcogenide is the same material used in re writable optical media (such as CD RW and DVD RW). In those instances, the material's optical properties are manipulated, rather than its electrical resistivity, as chalcogenide's refractive index also changes with the state of the material. Although PRAM has not yet reached the commercialization stage for consumer electronic devices, nearly all prototype devices make use of a chalcogenide alloy of germanium (Ge), antimony (Sb) and tellurium (Te) called GeSbTe (GST). The stoichiometry, or Ge:Sb:Te element ratio, is 2:2:5 in GST. When GST is heated to a high temperature (over 600 °C), its chalcogenide crystallinity is lost. Once cooled, it is frozen into an amorphous glass like state and its electrical resistance is high. By heating the chalcogenide to a temperature above its crystallization point, but below the melting point, it will transform into a crystalline state with a much lower resistance. The time to complete this phase transition is temperature dependent. Cooler portions of the chalcogenide take longer to crystallize, and overheated portions may be remelted. A crystallization time scale on the order of 100 ns is commonly used. This is longer than conventional volatile memory devices like modern DRAM, which have a switching time on the order of two nanoseconds. However, a January 2006 Samsung Electronics patent application indicates PRAM may achieve switching times as fast as five nanoseconds. A 2008 advance pioneered by Intel and ST Microelectronics allowed the material state to be more carefully controlled, allowing it to be transformed into one of four distinct states: the previous amorphous or crystalline states, along with two new partially crystalline ones. Each of these states has different electrical properties that can be measured during reads, allowing a single cell to represent two bits, doubling memory density.

Алюминий/антимон

Германий, сурьма және теллур негізіндегі фазалық өзгеріс жад құрылғыларын өндіру кезінде қиындықтар туындайды, себебі материалды шалькогендермен кесу және жылтырату оның құрамын өзгерте алады. Алюминий мен сурьмаға негізделген материалдар GeSbTe-ге қарағанда термодинамикалық тұрақтырақ. Al50Sb50 үш ерекше кедергі деңгейіне ие, бұл екі жасушада екі жасушаға қарағанда үш бит дерек сақтау мүмкіндігін ұсынады (жасушалар жұбы үшін тоғыз мүмкін жағдай бар, олардың сегізін пайдалану log2 8 = 3 битті қамтамасыз етеді).

PRAM мен Flash арасындағы айырмашылық

PRAM-ның ауысу уақыты және оның кеңейтілу мүмкіндігі оны флэш-жадтан артық етеді. PRAM температураға сезімталдығы, әсіресе, оның маңызды кемшілігі болып табылады, бұл технологияны қолданатын өндірушілердің өндіріс процесінде өзгерістер енгізуін қажет етеді. Флэш-жад MOS транзисторының қақпасына сақталған зарядты (электрондарды) өзгерту арқылы жұмыс істейді. Қақпа арнайы «стек» құрылымымен жасалады, ол зарядты ұстауға арналған (жүзуші қақпада немесе изолятор «тұзақтарында»). Қақпадағы зарядтың болуы транзистордың шекті кернеуін жоғары немесе төмендетеді, бұл жасушаның бит күйінің 1-ден 0-ге немесе 0-ден 1-ге өзгеруіне сәйкес келеді. Бит күйін өзгерту үшін жинақталған зарядты жою қажет, ол жүретін қақпадан электрондарды «тарту» үшін салыстырмалы түрде үлкен кернеуді талап етеді. Бұл кернеуді беру үшін зарядтық сорғы қолданылады, ол қуатты жинақтауға біраз уақыт алады. Көптеген флэш-құрылғылар үшін жазу уақыты шамамен 100 мкс (деректер блогы үшін), мысалы, SRAM үшін (байт үшін) 10 нс оқу уақытынан 10 000 есеге жуық. PRAM жылдам жазу маңызды қолданымдарда әлдеқайда жоғары өнімділік ұсына алады, өйткені жад элементі тез ауыстырылады, сонымен қатар, бір биттерді 1 немесе 0-ге ауыстыру үшін бүкіл жасуша блогын жоюдың қажеті жоқ. PRAM-ның жоғары өнімділігі, дәстүрлі қатты дискілерден мыңдаған есе жылдамдығы, оны қазіргі уақытта жадқа қол жеткізу уақытымен шектелген жадтың ұшпайтын рөлдерінде ерекше қызықты етеді. Сонымен қатар, флэш-жадта жасушадағы кернеудің әрбір импульсі тозуға әкеледі. Жасушалардың көлемі кішірейгенде, бағдарламалаудан туындаған зақым нашарлайды, өйткені құрылғыны бағдарламалауға қажетті кернеу литографиямен пропорционалды емес. Көптеген флэш-құрылғылар қазіргі уақытта секторына 5000 жазуға арналған, ал көптеген флэш-контроллерлер жазуды көптеген физикалық секторларға тарату үшін тозуды теңестіреді. PRAM құрылғылары да қолданылғанда флэш-жадтан өзге себептермен тозады, бірақ әлдеқайда баяу тозады. PRAM құрылғысы шамамен 100 миллион жазу циклін көтере алады. PRAM-ның қызмет ету мерзімі бағдарламалау кезінде GST термиялық кеңеюіне байланысты тозу, металлдың (және басқа материалдардың) жылжуы және әлі белгісіз басқа да механизмдермен шектеледі. Флэш-жад бөлшектерін тақтаға тіркеу алдында бағдарламалауға болады немесе тіпті алдын ала бағдарламаланған күйде сатып алуға болады. Алайда, PRAM-ның мазмұны құрылғыны тақтаға тіркеу үшін қажетті жоғары температуралардың салдарынан жоғалады (қайта ағынды тіркеу немесе толқынды тіркеуді қараңыз). Бұл мәселе қорғасынсыз өндіріс талабымен күрделенеді, ол жоғары тіркеу температурасын талап етеді. PRAM бөлшектерін пайдаланатын өндіруші PRAM-ды орнына тіркегеннен кейін «жүйеде» бағдарламалауға арналған механизмді ұсынуы керек. Флэш-жадта қолданылатын арнайы қақпалар уақыт өте келе зарядты (электрондарды) «жоғалтады», бұл деректердің бұзылуына және жоғалуына әкеледі. PRAM-дағы жад элементінің кедергісі тұрақтырақ; 85 °C қалыпты жұмыс температурасында ол деректерді 300 жылға дейін сақтай алады деп күтілуде. Қақпада сақталған заряд мөлшерін мұқият реттеу арқылы флэш-құрылғылар әр физикалық жасушада бірнеше (әдетте екі) битті сақтай алады. Бұл жад тығыздығын екі есеге арттырып, құнын төмендетеді. PRAM құрылғылары бастапқыда әр жасушада бір ғана бит сақтаған, бірақ Intel-дің соңғы жетістіктері бұл мәселені шешті. Флэш-құрылғылар ақпаратты сақтау үшін электрондарды тұтқындағандықтан, олар радиациядан деректердің бұзылуына бейім, сондықтан оларды көптеген ғарыш және әскери қолданымдарға жарамсыз етеді. PRAM радиацияға жоғары төзімділік көрсетеді. PRAM жасушаларын таңдаушылар әртүрлі құрылғыларды пайдалана алады: диодтар, BJT және MOSFET. Диодты немесе BJT-ны пайдалану берілген жасуша көлемі үшін токтың ең көп мөлшерін қамтамасыз етеді. Алайда, диодты пайдалану мәселесі көрші жасушаларға паразиттік тоқтан, сондай-ақ жоғары кернеу талабынан туындайды, нәтижесінде электр қуатын тұтыну жоғары болады. Халкогенидтік кедергі диодтыкінен үлкен болуы керек, яғни диодтан жеткілікті алға бағытталған тоқ алу үшін жұмыс кернеуі 1 В-тан көп болуы керек. Әсіресе үлкен массивтер үшін диодты таңдалған массивті пайдаланудың ең ауыр салдары, таңдалмаған бит сызықтарынан жалпы кері бағытталған тоқ ағыны. Транзисторлы таңдалған массивтерде тек таңдалған бит сызықтары кері бағытталған тоқ ағынына үлес қосады. Тоқ ағынының айырмашылығы бірнеше рет үлкен. 40 нм-ден төменгі өлшемге дейін кеңейтумен байланысты тағы бір мәселе – p-n торабының ені кішірейгенде дискретті допанттардың әсері. Жұқа пленкаға негіделген таңдаушылар жоғары тығыздықты қамтамасыз етеді, жад қабаттарын көлденең немесе тік бағытта үйлестіру арқылы < 4F2 жасушалық ауданды пайдаланады. Көбінесе оқшаулау мүмкіндіктері транзисторларды пайдаланудан нашар, егер таңдаушының қосу/өшіру қатынасы жеткіліксіз болса, бұл архитектурада өте үлкен массивтерді пайдалану мүмкіндігін шектейді. Халкогенидтік негіздес шектік ауыстырғыштар жоғары тығыздықты PCM массивтері үшін тиімді таңдаушы ретінде көрсетілген.

PRAM's switching time and inherent scalability make it more appealing than flash memory. PRAM's temperature sensitivity is perhaps its most notable drawback, one that may require changes in the production process of manufacturers incorporating the technology. Flash memory works by modulating charge (electrons) stored within the gate of a MOS transistor. The gate is constructed with a special "stack" designed to trap charges (either on a floating gate or in insulator "traps"). The presence of charge within the gate shifts the transistor's threshold voltage higher or lower, corresponding to a change in the cell's bit state from 1 to 0 or 0 to 1. Changing the bit's state requires removing the accumulated charge, which demands a relatively large voltage to "suck" the electrons off the floating gate. This burst of voltage is provided by a charge pump, which takes some time to build up power. General write times for common flash devices are on the order of 100 μs (for a block of data), about 10,000 times the typical 10 ns read time for SRAM for example (for a byte). PRAM can offer much higher performance in applications where writing quickly is important, both because the memory element can be switched more quickly, and also because single bits may be changed to either 1 or 0 without needing to first erase an entire block of cells. PRAM's high performance, thousands of times faster than conventional hard drives, makes it particularly interesting in nonvolatile memory roles that are currently performance limited by memory access timing. In addition, with flash, each burst of voltage across the cell causes degradation. As the size of the cells decreases, damage from programming grows worse because the voltage necessary to program the device does not scale with the lithography. Most flash devices are rated for, currently, only 5,000 writes per sector, and many flash controllers perform wear leveling to spread writes across many physical sectors. PRAM devices also degrade with use, for different reasons than flash, but degrade much more slowly. A PRAM device may endure around 100 million write cycles. PRAM lifetime is limited by mechanisms such as degradation due to GST thermal expansion during programming, metal (and other material) migration, and other mechanisms still unknown. Flash parts can be programmed before being soldered onto a board, or even purchased pre programmed. The contents of a PRAM, however, are lost because of the high temperatures needed to solder the device to a board (see reflow soldering or wave soldering). This was made worse by the requirement to have lead free manufacturing requiring higher soldering temperatures. A manufacturer using PRAM parts must provide a mechanism to program the PRAM "in system" after it has been soldered in place. The special gates used in flash memory "leak" charge (electrons) over time, causing corruption and loss of data. The resistivity of the memory element in PRAM is more stable; at the normal working temperature of 85 °C, it is projected to retain data for 300 years. By carefully modulating the amount of charge stored on the gate, flash devices can store multiple (usually two) bits in each physical cell. In effect, this doubles the memory density, reducing cost. PRAM devices originally stored only a single bit in each cell, but Intel's recent advances have removed this problem. Because flash devices trap electrons to store information, they are susceptible to data corruption from radiation, making them unsuitable for many space and military applications. PRAM exhibits higher resistance to radiation. PRAM cell selectors can use various devices: diodes, BJTs and MOSFETs. Using a diode or a BJT provides the greatest amount of current for a given cell size. However, the concern with using a diode stems from parasitic currents to neighboring cells, as well as a higher voltage requirement, resulting in higher power consumption. Chalcogenide resistance is necessarily larger than that of a diode, meaning operating voltage must exceed 1 V by a wide margin to guarantee adequate forward bias current from the diode. Perhaps the most severe consequence of using a diode selected array, in particular for large arrays, is the total reverse bias leakage current from the unselected bit lines. In transistor selected arrays, only the selected bit lines contribute reverse bias leakage current. The difference in leakage current is several orders of magnitude. A further concern with scaling below 40 nm is the effect of discrete dopants as the p n junction width scales down. Thin film based selectors allow higher densities, utilizing < 4 F2 cell area by stacking memory layers horizontally or vertically. Often the isolation capabilities are inferior to the use of transistors if the on/off ratio for the selector is not sufficient, limiting the ability to operate very large arrays in this architecture. Chalcogenide based threshold switches have been demonstrated as a viable selector for high density PCM arrays

2000 ж. және одан кейінгі

2004 жылдың тамызында Nanochip компаниясы PRAM технологиясын MEMS (микроэлектрлік механикалық жүйелер) зондтық сақтау құрылғыларында пайдалану үшін лицензиялады. Бұл құрылғылар қатты күйдегі емес. Оның орнына, халькогенидпен жабылған өте кішкентай диск мыңдаған, тіпті миллиондаған электрлік зондтардың астынан жүргізіледі, олар халькогенидті оқи және жаза алады. Hewlett Packard микроқозғалтқыш технологиясы дискіні 3 нм дәлдікпен орналастыра алады, сондықтан технология жетілдірілсе, шаршы дюймға 1 Тбит-тен (125 ГБ) астам тығыздыққа қол жеткізу мүмкін болады. Негізгі идея – чиптегі сымдардың мөлшерін азайту; әр жасушаны сыммен қосудың орнына, жасушалар бір-біріне жақын орналастырылады және ток MEMS зондтары арқылы өтіп оқылады, олар сымдардың қызметін атқарады. Бұл тәсіл IBM-нің "Миллипед" технологиясына ұқсас.

Samsung 46,7 нм элементі

2006 жылдың қыркүйегінде Samsung диодты коммутаторларды пайдаланатын 512 Мб (64 Мб) құрылғысының прототипін жариялады. Бұл жариялау оқырмандарды таң қалдырды, әсіресе оның салыстырмалы түрде жоғары жад тығыздығымен ерекшеленді. Прототиптің жасушасының мөлшері бар болғаны 46,7 нм-ге тең болды, бұл сол кездегі коммерциялық флэш-жад құрылғыларынан кіші. Жоғары сыйымдылықтағы флэш-жад құрылғылары қолжетімді болғанымен (64 Гб немесе 8 Гб нарыққа енді ғана шығып жатқан), флэш-жадты алмастыруға бәсекелес басқа технологиялар көбінесе төмен тығыздық (үлкен жасуша мөлшері) ұсынды. Мысалы, өндірістегі MRAM және FeRAM құрылғыларының сыйымдылығы 4 Мб ғана. Samsung-тың PRAM прототипінің жоғары тығыздығы оның флэш-жадқа лайықты бәсекелес болатынын және басқа құрылғылар сияқты тар салалық қолданумен ғана шектелмейтінін көрсетті. PRAM, әсіресе, NOR флэш-жадты алмастыру мүмкіндігі тұрғысынан тартымды көрінді, онда құрылғылардың сыйымдылығы көбінесе NAND флэш-жад құрылғыларынан қалып қояды. NAND флэш-жадтың ең озық сыйымдылығы 512 Мб-тан бұрын көп уақыт өткен. NOR флэш-жад Samsung-тың PRAM прототипіне ұқсас тығыздықтарды ұсынады және біттік адрестеу мүмкіндігін қамтамасыз етеді (NAND-тан айырмашылығы, онда жадқа бір мезгілде көптеген байттардан тұратын блоктар арқылы қол жеткізіледі).

Intel-тің PRAM құрылғысы

Samsung-тың хабарламасынан кейін Intel және STMicroelectronics компаниялары да өздерінің PRAM құрылғыларын 2006 жылғы қазан айында өткен Intel Developer Forum-да көрсетті. Олар STMicroelectronics компаниясының Италиядағы Аграте қаласындағы ғылыми-зерттеу зертханасында өндіріліне бастаған 128 Мб-тық құрылғыны ұсынды. Intel бұл құрылғылардың тек концепциялық жоба екенін мәлімдеді.

BAE құрылғысы

PRAM әскери және аэроғарыш өнеркәсібінде де перспективалы технология болып табылады, онда радиацияның әсерінен флеш-жад сияқты стандартты ұшпайтын жадтарды пайдалану мүмкін болмайды. BAE Systems компаниясы PRAM құрылғыларын C RAM деп атап енгізді, олардың радиацияға төзімділігі жоғары (rad hard) және құлыптанудан қорғалғандығы туралы мәлімдейді. Сонымен қатар, BAE компаниясы жазу циклының 10⁸ ретке дейін төзімді екенін хабарлады, бұл оған ғарыш жүйелерінде PROM және EEPROM жадарын алмастыру мүмкіндігін береді.

Көп деңгейлі ұяшық

2008 жылдың ақпан айында Intel және STMicroelectronics компаниялары алғашқы көп деңгейлі (MLC) PRAM массивінің прототипін таныстырды. Прототип әрбір физикалық жасушада екі логикалық бит сақтады, нәтижесінде 128 Мб физикалық массивте 256 Мб жад сақталды. Бұл, әдеттегі толық аморфты және толық кристалды екі күйдің орнына, жартылай кристалданудың әртүрлі дәрежелерін көрсететін қосымша екі бөлек аралық күйлердің болуын білдіреді, бұл бір физикалық кеңістікте екі есе көп бит сақтауға мүмкіндік береді. IBM компаниясы жоғары өнімділікке және тұрақтылыққа ие, тұрақты және сенімді көп битті фазалық өзгерісті жадты жасағанын мәлімдеді. SK Hynix компаниясы IBM-мен көп деңгейлі PRAM технологиясын әзірлеу үшін бірлескен даму келісімі мен технология лицензиялық келісіміне қол қойды.

Интелдің 90 нм құрылғысы

Сондай-ақ 2008 жылдың ақпан айында Intel және STMicroelectronics өздерінің алғашқы PRAM өнімдерінің прототиптік үлгілерін клиенттерге жіберді. 90 нм, 128 Мб (16 МБ) көлемді өнім "Alverstone" деп аталды. 2009 жылдың маусым айында Samsung және Numonyx B. V. PRAM нарығына бағытталған аппараттық өнімдерді әзірлеудегі ынтымақтастығын жариялады. 2010 жылдың сәуірінде Numonyx Omneo 128 Мбит NOR үйлесімді фазалық өзгерістер жадын ұсынды. Samsung компаниясы 2010 жылдың күзінде ұялы телефондарда пайдалану үшін көп чипті жинақтағышқа (MCP) 512 Мб фазалық өзгермелі RAM (PRAM) жеткізілімін бастады.

ST 28 нм, 16 МБ матрица

2018 жылдың желтоқсанында STMicroelectronics компаниясы 28 нм толықтай түгелдей жұқартылған кремний изоляторындағы автокөліктік басқару блогы үшін 16 МБ ePCM массивінің жобалық және өнімділік деректерін ұсынды.

Жад ішіндегі есептеу

Соңғы уақытта жады ішінде есептеу үшін PCM-ді қолдануға қызығушылық артып келеді. Басты идея – PCM-нің аналогтық сақтау мүмкіндігі мен Кирхоффтың заңдарын пайдаланып, жад массивінің өзінде матрица-вектор көбейту сияқты есептеу операцияларын жүзеге асыру. Жады ішіндегі есептеуге негізделген PCM, өте жоғары есептеу дәлдігі қажет емес терең оқыту сияқты қолданулар үшін пайдалы болуы мүмкін. 2021 жылы IBM 14 нм CMOS технологиялық түйінінде интеграцияланған көп деңгейлі PCM негізіндегі жады ішіндегі толыққанды есептеу ядросын жариялады.

Қиындықтар

Фазалық өзгерістер жадының ең үлкен қиындығы – жоғары бағдарламалау ток тығыздығының қажеттілігі (>107 А/см2, стандартты транзистор немесе диод үшін 105–106 А/см2-ге қарағанда). Қызған фазалық өзгеріс аймағы мен іргелес диэлектрик арасындағы контакті де маңызды мәселе болып табылады. Диэлектрик жоғары температурада ток ағынын бастауы мүмкін немесе фазалық өзгеріс материалынан өзгеше жылдамдықпен кеңейгенде жабысуын жоғалтуы мүмкін. Фазалық өзгерістер жады қажетті емес және қажетті фазалық өзгерістер арасындағы негізгі тепе-теңдікке бейім. Бұл негізінен фазалық өзгерістің электрондық емес, термиялық процесс екендігінен туындайды. Кристалдануды жеделдетуге мүмкіндік беретін жылулық жағдайлар күту режиміндегі жағдайларға, мысалы, бөлме температурасына тым ұқсас болмауы керек, әйтпесе деректерді сақтау мүмкін болмайды. Кристалдануға қажетті белсенділік энергиясы дұрыс болса, бағдарламалау кезінде жылдам кристалдануға, ал қалыпты жағдайда өте баяу кристалдануға қол жеткізуге болады. Фазалық өзгерістер жадының ең үлкен қиындығы – оның ұзақ мерзімді кедергісінің және шекті кернеудің өзгеруі. Аморфты күйдегі кедергі қуат заңы бойынша бірте-бірте өседі (~t0.1). Бұл көп деңгейлі режимде жұмыс істеу мүмкіндігін шектейді, себебі кейінірек төменгі аралық күй жоғары аралық күймен шатастырылуы мүмкін, сондай-ақ шекті кернеу жобаланған мәннен асып кетсе, стандартты екі күйлі режимнің жұмысына қауіп тудыруы мүмкін. 2010 жылдың сәуір айында Numonyx өзінің Omneo желісіндегі параллель және тізбекті интерфейсті 128 Мб NOR флэш жадысын алмастыратын PRAM чиптерін шығарды. Олар алмастыруға арналған NOR флэш чиптері –40 °C-тан 85 °C-қа дейін температура диапазонында жұмыс істесе, PRAM чиптері 0 °C-тан 70 °C-қа дейін температура диапазонында жұмыс істеді, бұл NOR флэш жадына қарағанда жұмыс істеу терезесінің кішірек екенін көрсетеді. Бұл бағдарламалау үшін қажетті жоғары токтарды қамтамасыз ету үшін жоғары температураға сезімтал p–n тораптарын пайдаланудың салдары болуы мүмкін.