Нано RAM: Новая технология компьютерной памяти на основе углеродных нанотрубок

Введение

Новый тип компьютерной памяти

Nano RAM – это запатентованная технология компьютерной памяти, разработанная компанией Nantero. Это тип энергонезависимой памяти с произвольным доступом, основанный на положении углеродных нанотрубок, осажденных на подложке, аналогичной чипу. Теоретически, малый размер нанотрубок позволяет создавать память с очень высокой плотностью. Nantero также называет эту технологию NRAM.

Технология

Технология Nantero NRAM первого поколения была основана на полупроводниковом приборе с тремя выводами, где третий вывод используется для переключения ячейки памяти между состояниями. Технология NRAM второго поколения основана на ячейке памяти с двумя выводами. Ячейка с двумя выводами имеет преимущества, такие как меньший размер ячейки, лучшая масштабируемость до узлов менее 20 нм (см. производство полупроводниковых устройств) и возможность пассивации ячейки памяти в процессе производства. В нетканом матричном расположении углеродных нанотрубок (УНТ) пересекающиеся нанотрубки могут либо соприкасаться, либо быть слегка разделены в зависимости от их положения. При соприкосновении углеродные нанотрубки удерживаются вместе силами Ван-дер-Ваальса. Каждая ячейка NRAM состоит из взаимосвязанной сети УНТ, расположенной между двумя электродами, как показано на рисунке 1. Матрица УНТ расположена между двумя металлическими электродами, которые определяются и травятся фотолитографией, формируя ячейку NRAM. NRAM действует как резистивная энергонезависимая память с произвольным доступом (RAM) и может находиться в двух или более резистивных состояниях в зависимости от резистивного состояния матрицы УНТ. Когда УНТ не соприкасаются, сопротивление матрицы велико и представляет собой состояние "выключено" или "0". Когда УНТ приходят в контакт, сопротивление матрицы мало и представляет собой состояние "включено" или "1". NRAM функционирует как память, поскольку эти два резистивных состояния очень стабильны. В состоянии 0 УНТ (или их часть) не контактируют друг с другом и остаются разделенными из-за жесткости УНТ, что приводит к высокому сопротивлению или низкому измерительному току между верхним и нижним электродами. В состоянии 1 УНТ (или их часть) находятся в контакте и остаются в контакте благодаря силам Ван-дер-Ваальса между УНТ, что приводит к низкому сопротивлению или высокому измерительному току между верхним и нижним электродами. Важно отметить, что другие источники сопротивления, такие как контактное сопротивление между электродом и УНТ, могут быть значительными и также должны учитываться. Для переключения NRAM между состояниями между верхним и нижним электродами подается небольшое напряжение, превышающее напряжение чтения. Если NRAM находится в состоянии 0, приложенное напряжение вызовет электростатическое притяжение между близко расположенными УНТ, вызывая операцию SET. После снятия приложенного напряжения УНТ остаются в состоянии 1 или низкого сопротивления из-за физической адгезии (сила Ван-дер-Ваальса) с энергией активации (Ea) приблизительно 5 эВ. Если ячейка NRAM находится в состоянии 1, приложение напряжения, превышающего напряжение чтения, генерирует фононные возбуждения УНТ с достаточной энергией для разделения контактов УНТ. Это операция RESET, управляемая фононами. УНТ остаются в состоянии OFF или высокого сопротивления из-за высокой механической жесткости (модуль Юнга 1 ТПа) с энергией активации (Ea) значительно больше 5 эВ. На рисунке 2 показаны оба состояния отдельной пары УНТ, участвующих в операции переключения. Благодаря высокой энергии активации (> 5 эВ), необходимой для переключения между состояниями, переключатель NRAM устойчив к внешним помехам, таким как излучение и рабочая температура, которые могут стереть или переключить обычные типы памяти, такие как DRAM. NRAM изготавливаются путем нанесения равномерного слоя УНТ на предварительно изготовленную матрицу драйверов, таких как транзисторы, как показано на рисунке 1. Нижний электрод ячейки NRAM контактирует с базовым переходным отверстием (электроникой), соединяющим ячейку с драйвером. Нижний электрод может быть изготовлен как часть базового переходного отверстия или одновременно с ячейкой NRAM, когда ячейка определяется и травятся фотолитографически. Перед фотолитографическим определением и травлением ячейки верхний электрод осаждается в виде металлической пленки на слой УНТ, так что верхний металлический электрод формируется и травятся во время определения ячейки NRAM. После диэлектрической пассивации и заполнения матрицы верхний металлический электрод обнажается путем обратного травления диэлектрика с использованием сглаживающего процесса, такого как химико-механическая полировка. С обнаженным верхним электродом изготавливается следующий уровень металлической проводки для завершения массива NRAM. На рисунке 3 показан один из методов схемы для выбора одной ячейки для записи и чтения. Используя перекрестную решетчатую структуру соединения, NRAM и драйвер (ячейка) образуют матрицу памяти, аналогичную другим матрицам памяти. Одна ячейка может быть выбрана путем подачи соответствующих напряжений на линию выбора слов (WL), линию выбора битов (BL) и линии выбора (SL) без нарушения работы других ячеек в массиве. В качестве альтернативы между нижним электродом и верхним металлическим слоем могут быть два слоя УНТ: один с равномерно расположенными УНТ, а другой со случайно расположенными УНТ. Равномерно расположенные УНТ используются для защиты случайно расположенных УНТ от верхнего металлического слоя.

The first generation Nantero NRAM technology was based on a three terminal semiconductor device where a third terminal is used to switch the memory cell between memory states. The second generation NRAM technology is based on a two terminal memory cell. The two terminal cell has advantages such as a smaller cell size, better scalability to sub 20 nm nodes (see semiconductor device fabrication), and the ability to passivate the memory cell during fabrication. In a non woven fabric matrix of carbon nanotubes (CNTs), crossed nanotubes can either be touching or slightly separated depending on their position. When touching, the carbon nanotubes are held together by Van der Waals forces. Each NRAM "cell" consists of an interlinked network of CNTs located between two electrodes as illustrated in Figure 1. The CNT fabric is located between two metal electrodes, which is defined and etched by photolithography, and forms the NRAM cell. The NRAM acts as a resistive non volatile random access memory (RAM) and can be placed in two or more resistive modes depending on the resistive state of the CNT fabric. When the CNTs are not in contact the resistance state of the fabric is high and represents an "off" or "0" state. When the CNTs are brought into contact, the resistance state of the fabric is low and represents an "on" or "1" state. NRAM acts as a memory because the two resistive states are very stable. In the 0 state, the CNTs (or a portion of them) are not in contact and remain in a separated state due to the stiffness of the CNTs resulting in a high resistance or low current measurement state between the top and bottom electrodes. In the 1 state, the CNTs (or a portion of them) are in contact and remain contacted due to Van der Waals forces between the CNTs, resulting in a low resistance or high current measurement state between the top and bottom electrodes. Note that other sources of resistance such as contact resistance between electrode and CNT can be significant and also need to be considered. To switch the NRAM between states, a small voltage greater than the read voltage is applied between top and bottom electrodes. If the NRAM is in the 0 state, the voltage applied will cause an electrostatic attraction between the CNTs close to each other causing a SET operation. After the applied voltage is removed, the CNTs remain in a 1 or low resistance state due to physical adhesion (Van der Waals force) with an activation energy (Ea) of approximately 5eV. If the NRAM cell is in the 1 state, applying a voltage greater than the read voltage will generate CNT phonon excitations with sufficient energy to separate the CNT junctions. This is the phonon driven RESET operation. The CNTs remain in the OFF or high resistance state due to the high mechanical stiffness (Young's Modulus 1 TPa) with an activation energy (Ea) much greater than 5 eV. Figure 2 illustrates both states of an individual pair of CNTs involved in the switch operation. Due to the high activation energy (> 5eV) required for switching between states, the NRAM switch resists outside interference like radiation and operating temperature that can erase or flip conventional memories like DRAM. NRAMs are fabricated by depositing a uniform layer of CNTs onto a prefabricated array of drivers such as transistors as shown in Figure 1. The bottom electrode of the NRAM cell is in contact with the underlying via (electronics) connecting the cell to the driver. The bottom electrode may be fabricated as part of the underlying via or it may be fabricated simultaneously with the NRAM cell, when the cell is photolithographically defined and etched. Before the cell is photolithographically defined and etched, the top electrode is deposited as a metal film onto the CNT layer so that the top metal electrode is patterned and etched during the definition of the NRAM cell. Following the dielectric passivation and fill of the array, the top metal electrode is exposed by etching back the overlying dielectric using a smoothing process such as chemical mechanical planarization. With the top electrode exposed, the next level of metal wiring interconnect is fabricated to complete the NRAM array. Figure 3 illustrates one circuit method to select a single cell for writing and reading. Using a cross grid interconnect arrangement, the NRAM and driver, (the cell), forms a memory array similar to other memory arrays. A single cell can be selected by applying the proper voltages to the word line (WL), bit line (BL), and select lines (SL) without disturbing the other cells in the array. Alternatively between the bottom electrode and top metal layer they may be two layers of CNTs: one with uniformly arranged CNTs, and another with randomly arranged CNTs. The uniformly arranged CNTs are used to protect the randomly arranged CNTs from the top metal layer.

Характеристики

NRAM имеет плотность, по крайней мере теоретически, сопоставимую с плотностью DRAM. DRAM включает в себя конденсаторы, которые по сути представляют собой две небольшие металлические пластины с тонким изолятором между ними. NRAM имеет выводы и электроды примерно того же размера, что и пластины в DRAM, при этом нанотрубки между ними настолько малы, что не влияют на общий размер. Однако, похоже, существует минимальный размер, при котором возможно создание DRAM, ниже которого недостаточно заряда для удержания на пластинах. NRAM, по-видимому, ограничивается лишь литографией. Это означает, что NRAM потенциально может стать значительно плотнее, чем DRAM, и, возможно, дешевле. В отличие от DRAM, NRAM не требует питания для "обновления" и сохраняет данные даже после отключения питания. Таким образом, энергопотребление для записи и сохранения состояния памяти в NRAM значительно ниже, чем в DRAM, которой необходимо накапливать заряд на пластинах ячеек. Это означает, что NRAM может конкурировать с DRAM по стоимости, потреблять меньше энергии и, как следствие, быть значительно быстрее, поскольку скорость записи во многом определяется общим необходимым зарядом. Теоретически NRAM может достичь производительности, сравнимой с SRAM, которая быстрее DRAM, но гораздо менее плотная и, следовательно, значительно дороже.

Сравнение с другими нелетучими памятью

По сравнению с другими технологиями энергонезависимой оперативной памяти (NVRAM), NRAM обладает рядом преимуществ. В флэш-памяти, наиболее распространенной форме NVRAM, каждая ячейка напоминает MOSFET-транзистор с управляющим затвором (CG), модулируемым плавающим затвором (FG), расположенным между CG и FG. FG окружен изолирующим диэлектриком, как правило, оксидом. Поскольку FG электрически изолирован окружающим диэлектриком, любые электроны, помещенные на FG, оказываются захваченными на FG, что экранирует CG от канала транзистора и изменяет пороговое напряжение (VT) транзистора. Записывая и контролируя количество заряда, помещенного на FG, FG управляет проводящим состоянием MOSFET-ячейки флэш-памяти в зависимости от VT выбранной ячейки. Ток, протекающий через канал MOSFET, измеряется для определения состояния ячейки, формируя двоичный код, где состояние 1 (протекание тока) при приложении соответствующего напряжения CG и состояние 0 (отсутствие тока) при приложении напряжения CG. После записи изолятор удерживает электроны на FG, фиксируя его в состоянии 0. Однако, чтобы изменить этот бит, изолятор необходимо "перезарядить", чтобы стереть любой уже хранящийся на нем заряд. Для этого требуется более высокое напряжение, около 10 вольт, значительно превышающее возможности батареи. Флэш-системы включают в себя "накопительный насос", который медленно накапливает энергию и высвобождает ее при более высоком напряжении. Этот процесс не только медленный, но и приводит к деградации изоляторов. По этой причине флэш-память имеет ограниченное количество циклов записи, после чего устройство перестает эффективно работать. Операции чтения и записи в NRAM потребляют "меньше энергии" по сравнению с флэш-памятью (или DRAM, учитывая необходимость "обновления"), что означает, что NRAM может обеспечить более длительное время работы от батареи. Кроме того, запись может выполняться значительно быстрее, что позволяет использовать NRAM для замены обеих технологий. Современные телефоны используют флэш-память для хранения телефонных номеров, DRAM для высокопроизводительной рабочей памяти, поскольку флэш-память слишком медленная, и SRAM для еще более высокой производительности. Часть NRAM может быть размещена на процессоре для использования в качестве кэша процессора, а также в других чипах, заменяя как DRAM, так и флэш-память. NRAM – одна из множества новых систем памяти, многие из которых заявляют о своей "универсальности", подобно NRAM, заменяя все, от флэш-памяти до DRAM и SRAM. Альтернативной памятью, готовой к использованию, является ферроэлектрическая оперативная память (FRAM или FeRAM). FeRAM добавляет небольшое количество ферроэлектрического материала в ячейку DRAM. Состояние поля в материале кодирует бит в неразрушающем формате. FeRAM обладает преимуществами NRAM, хотя минимальный размер ячейки значительно больше, чем для NRAM. FeRAM используется в приложениях, где ограниченное количество циклов записи флэш-памяти является проблемой. Операции чтения в FeRAM являются деструктивными и требуют последующей операции записи для восстановления. К другим, более перспективным системам памяти относятся магниторезистивная оперативная память (MRAM) и память с переключением фаз (PRAM). MRAM основана на сетке магнитных туннельных переходов. MRAM считывает память, используя эффект туннельного магнитосопротивления, что позволяет считывать память как неразрушающим способом, так и с очень низким энергопотреблением. Ранние реализации MRAM использовали запись с помощью внешнего магнитного поля, что привело к ограничению размеров и сделало их значительно больше, чем флэш-устройства. Однако новые методы MRAM могут преодолеть это ограничение по размеру и сделать MRAM конкурентоспособной даже с флэш-памятью. К этим методам относятся переключение с тепловой поддержкой (TAS), разработанное компанией Crocus Technology, и спин-тормозной момент, над которым в 2009 году работали компании Crocus, Hynix, IBM и другие. PRAM основана на технологии, аналогичной используемой в перезаписываемых CD или DVD, с использованием материала с переключением фаз, который изменяет свои магнитные или электрические свойства вместо оптических. Сам материал PRAM масштабируем, но требует более мощного источника тока.

Compared with other non volatile random access memory (NVRAM) technologies, NRAM has several advantages. In flash memory, the common form of NVRAM, each cell resembles a MOSFET transistor with a control gate (CG) modulated by a floating gate (FG) interposed between the CG and the FG. The FG is surrounded by an insulating dielectric, typically an oxide. Since the FG is electrically isolated by the surrounding dielectric, any electrons placed on the FG will be trapped on the FG which screens the CG from the channel of the transistor and modifies the threshold voltage (VT) of the transistor. By writing and controlling the amount of charge placed on the FG, the FG controls the conduction state of the MOSFET flash device depending on the VT of the cell selected. The current flowing through the MOSFET channel is sensed to determine the state of the cell forming a binary code where a 1 state (current flow) when an appropriate CG voltage is applied and a 0 state (no current flow) when the CG voltage is applied. After being written to, the insulator traps electrons on the FG, locking it into the 0 state. However, in order to change that bit, the insulator has to be "overcharged" to erase any charge already stored in it. This requires higher voltage, about 10 volts, much more than a battery can provide. Flash systems include a "charge pump" that slowly builds up power and releases it at higher voltage. This process is not only slow, but degrades the insulators. For this reason flash has a limited number of writes before the device will no longer operate effectively. NRAM reads and writes are both "low energy" in comparison to flash (or DRAM for that matter due to "refresh"), meaning NRAM could have longer battery life. It may also be much faster to write than either, meaning it may be used to replace both. Modern phones include flash memory for storing phone numbers, DRAM for higher performance working memory because flash is too slow, and some SRAM for even higher performance. Some NRAM could be placed on the CPU to act as the CPU cache, and more in other chips replacing both the DRAM and flash. NRAM is one of a variety of new memory systems, many of which claim to be "universal" in the same fashion as NRAM – replacing everything from flash to DRAM to SRAM. An alternative memory ready for use is ferroelectric RAM (FRAM or FeRAM). FeRAM adds a small amount of a ferro electric material to a DRAM cell. The state of the field in the material encodes the bit in a non destructive format. FeRAM has advantages of NRAM, although the smallest possible cell size is much larger than for NRAM. FeRAM is used in applications where the limited number of writes of flash is an issue. FeRAM read operations are destructive, requiring a restoring write operation afterwards. Other more speculative memory systems include magnetoresistive random access memory (MRAM) and phase change memory (PRAM). MRAM is based on a grid of magnetic tunnel junctions. MRAM's reads the memory using the tunnel magnetoresistance effect, allowing it to read the memory both non destructively and with very little power. Early MRAM used field induced writing, reached a limit in terms of size, which kept it much larger than flash devices. However, new MRAM techniques might overcome the size limitation to make MRAM competitive even with flash memory. The techniques are Thermal Assisted Switching (TAS), developed by Crocus Technology, and Spin transfer torque on which Crocus, Hynix, IBM, and other companies were working in 2009. PRAM is based on a technology similar to that in a writable CD or DVD, using a phase change material that changes its magnetic or electrical properties instead of its optical ones. The PRAM material itself is scalable but requires a larger current source.

История

Компания Nantero была основана в 2001 году, штаб-квартира находится в Уобрне, штат Массачусетс. Из-за масштабных инвестиций в производство полупроводников флэш-памяти, несмотря на прогнозы, начиная с 2003 года, относительно скорости и плотности NRAM, ни одна альтернативная память не смогла заменить флэш-память на рынке. В 2005 году NRAM позиционировалась как универсальная память, и Nantero предсказывала начало производства к концу 2006 года. В августе 2008 года Lockheed Martin приобрела эксклюзивную лицензию на использование интеллектуальной собственности Nantero в государственных целях. К началу 2009 года Nantero имела 30 патентов США и 47 сотрудников, но все еще находилась на стадии инженерных разработок. В мае 2009 года радиационностойкая версия NRAM была испытана в ходе миссии STS 125. Компания не проявляла активности до объявления в ноябре 2012 года о новом раунде финансирования и сотрудничестве с бельгийским исследовательским центром imec. Nantero привлекла в общей сложности более 42 миллионов долларов в ходе раунда серии D, завершенного в ноябре 2012 года. Среди инвесторов были Charles River Ventures, Draper Fisher Jurvetson, Globespan Capital Partners, Stata Venture Partners и Harris & Harris Group. В мае 2013 года Nantero завершила раунд серии D благодаря инвестициям от Schlumberger. EE Times включила Nantero в список "10 лучших стартапов, за которыми стоит следить в 2013 году". 31 августа 2016 года: два подразделения Fujitsu, занимающиеся производством полупроводников, получили лицензию на технологию Nantero NRAM, и было объявлено о совместной разработке Nantero и Fujitsu для производства чипов в 2018 году. Заявлено, что скорость перезаписи этих чипов в несколько тысяч раз выше, а количество циклов перезаписи – во много тысяч раз больше, чем у встроенной флэш-памяти. По состоянию на 2024 год эти продукты все еще анонсированы, но не поступили в продажу.