Память с переключением фаз: новые материалы и перспективы развития

Введение

Новый тип компьютерной памяти

Фазоизменяемая память (также известная как PCM, PCME, PRAM, PCRAM, OUM (овоническая унифицированная память) и C RAM или CRAM (халькогенидная RAM)) – это тип энергонезависимой памяти с произвольным доступом. PRAM используют уникальные свойства халькогенидного стекла. В PCM тепло, выделяемое при прохождении электрического тока через нагревательный элемент, обычно изготовленный из нитрида титана, используется для быстрого нагрева и закалки стекла, переводя его в аморфное состояние, или для поддержания его в диапазоне температур кристаллизации в течение определенного времени, тем самым переводя в кристаллическое состояние. PCM также способна достигать ряда различных промежуточных состояний, что позволяет хранить несколько бит в одной ячейке. Однако трудности в программировании ячеек таким образом препятствовали реализации этих возможностей в других технологиях (в частности, во флэш-памяти) с аналогичными возможностями. Недавние исследования в области PCM направлены на поиск жизнеспособных альтернатив материалу с изменением фазы Ge2Sb2Te5 (GST), с переменным успехом. Другие исследования сосредоточены на разработке сверхрешетки GeTe–Sb2Te3 для достижения фазовых переходов без нагрева путем изменения координационного числа атомов германия с помощью лазерного импульса. Эта новая память с межфазным изменением фазы (IPCM) добилась значительных успехов и продолжает оставаться объектом активных исследований. Леон Чуа утверждал, что все двухполюсные энергонезависимые устройства памяти, включая PCM, следует рассматривать как мемристоры. Стэн Уильямс из HP Labs также утверждал, что PCM следует считать мемристором. Однако эта терминология подвергается критике, и потенциальная применимость теории мемристоров к любому физически реализуемому устройству остается под вопросом.

Предыстория

В 1960-х годах Стэнфорд Р. Овшинский из Energy Conversion Devices впервые исследовал свойства халькогенидных стекол в качестве потенциальной технологии памяти. В 1969 году Чарльз Си опубликовал диссертацию в Университете штата Айова, в которой описал и продемонстрировал возможность создания устройства памяти с переключением фаз путем интеграции халькогенидной пленки с диодной матрицей. Кинематографическое исследование 1970 года установило, что механизм памяти с переключением фаз в халькогенидном стекле включает рост кристаллической нити, индуцированный электрическим полем. В сентябрьском выпуске журнала Electronics 1970 года Гордон Мур, соучредитель Intel, опубликовал статью об этой технологии. Однако проблемы с качеством материалов и энергопотреблением помешали коммерциализации. В последнее время интерес и исследования возобновились, поскольку ожидается, что технологии флэш- и DRAM-памяти столкнутся с трудностями масштабирования по мере уменьшения литографии чипов. Кристаллическое и аморфное состояния халькогенидного стекла имеют существенно различающиеся значения электрического сопротивления. Аморфное состояние с высоким сопротивлением представляет собой двоичный 0, а кристаллическое состояние с низким сопротивлением – 1. Халькогенид – тот же материал, который используется в перезаписываемых оптических носителях (таких как CD-RW и DVD-RW). В этих случаях манипулируются оптические свойства материала, а не его электрическое сопротивление, поскольку показатель преломления халькогенида также изменяется в зависимости от состояния материала. Хотя PRAM еще не достигла стадии коммерциализации для потребительской электроники, почти все прототипы устройств используют халькогенидный сплав германия (Ge), сурьмы (Sb) и теллура (Te), называемый GeSbTe (GST). Стойхиометрия, или соотношение элементов Ge:Sb:Te, в GST составляет 2:2:5. При нагревании GST до высокой температуры (выше 600 °C) его халькогенидная кристалличность теряется. После охлаждения он переходит в аморфное стеклоподобное состояние с высоким электрическим сопротивлением. При нагревании халькогенида до температуры выше точки кристаллизации, но ниже точки плавления, он преобразуется в кристаллическое состояние с гораздо более низким сопротивлением. Время завершения этого фазового перехода зависит от температуры. Более холодные участки халькогенида кристаллизуются медленнее, а перегретые участки могут быть переплавлены. Обычно используется шкала времени кристаллизации порядка 100 нс. Это больше, чем у традиционных энергозависимых устройств памяти, таких как современные DRAM, которые имеют время переключения порядка двух наносекунд. Однако патентная заявка Samsung Electronics от января 2006 года указывает, что PRAM может достигать времени переключения до пяти наносекунд. В 2008 году компаниям Intel и ST Microelectronics удалось совершить прорыв, который позволил более точно контролировать состояние материала, что позволило переводить его в одно из четырех различных состояний: предыдущие аморфные или кристаллические состояния, а также два новых частично кристаллических. Каждое из этих состояний имеет различные электрические свойства, которые можно измерить при чтении, что позволяет одной ячейке представлять два бита, удваивая плотность памяти.

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

Устройства памяти с фазовым переходом на основе германия, сурьмы и теллура создают технологические трудности, поскольку травление и полировка материала, содержащего халькогены, могут изменять его состав. Материалы на основе алюминия и сурьмы обладают большей термической стабильностью, чем GeSbTe. Al50Sb50 имеет три различных уровня сопротивления, что позволяет хранить три бита данных в двух ячейках, в отличие от двух (девять состояний возможно для пары ячеек, при использовании восьми из этих состояний получается log2 8 = 3 бита).

PRAM против Flash

Время переключения PRAM и присущая ему масштабируемость делают его более привлекательным, чем флеш-память. Чувствительность PRAM к температуре, пожалуй, является его наиболее заметным недостатком, который может потребовать изменений в производственном процессе производителей, использующих эту технологию. Флеш-память работает путем модуляции заряда (электронов), хранящегося в затворе транзистора MOS. Затвор изготавливается из специальной "структуры", предназначенной для удержания зарядов (на плавающем затворе или в изоляторных "ловушках"). Наличие заряда в затворе смещает пороговое напряжение транзистора в большую или меньшую сторону, что соответствует изменению битового состояния ячейки с 1 на 0 или с 0 на 1. Изменение состояния бита требует удаления накопленного заряда, для чего требуется относительно высокое напряжение, чтобы "вытянуть" электроны с плавающего затвора. Этот импульс напряжения обеспечивается зарядным насосом, которому требуется некоторое время для накопления энергии. Общее время записи для распространенных флеш-устройств составляет около 100 мкс (для блока данных), что примерно в 10 000 раз превышает типичное время чтения 10 нс для SRAM (например, для байта). PRAM может обеспечить значительно более высокую производительность в приложениях, где важна быстрая запись, как потому, что элемент памяти может переключаться быстрее, так и потому, что отдельные биты могут быть изменены на 1 или 0 без предварительного стирания целого блока ячеек. Высокая производительность PRAM, в тысячи раз превышающая производительность обычных жестких дисков, делает его особенно интересным для применений энергонезависимой памяти, производительность которых в настоящее время ограничена временем доступа к памяти. Кроме того, в флеш-памяти каждый импульс напряжения, приложенный к ячейке, вызывает деградацию. По мере уменьшения размеров ячеек повреждения от программирования усиливаются, поскольку напряжение, необходимое для программирования устройства, не масштабируется вместе с литографией. Большинство флеш-устройств рассчитаны в настоящее время всего на 5000 циклов записи на сектор, и многие контроллеры флеш-памяти выполняют выравнивание износа для распределения записей по множеству физических секторов. Устройства PRAM также деградируют с использованием, но по другим причинам, чем флеш-память, и деградируют гораздо медленнее. Устройство PRAM может выдержать около 100 миллионов циклов записи. Срок службы PRAM ограничен такими механизмами, как деградация из-за теплового расширения материала с фазовым переходом (GST) во время программирования, миграция металла (и других материалов) и другими пока неизвестными механизмами. Флеш-компоненты могут быть запрограммированы до пайки на плату или даже приобретены предварительно запрограммированными. Однако содержимое PRAM теряется из-за высоких температур, необходимых для пайки устройства на плату (см. пайку оплавлением или волновую пайку). Это усугубилось требованием к бессвинцовому производству, требующему более высоких температур пайки. Производитель, использующий компоненты PRAM, должен обеспечить механизм для программирования PRAM "в системе" после его пайки. Специальные затворы, используемые в флеш-памяти, со временем "утекают" заряд (электроны), вызывая повреждение и потерю данных. Сопротивление элемента памяти в PRAM более стабильно; при нормальной рабочей температуре 85 °C, по прогнозам, оно сохранит данные в течение 300 лет. Тщательно модулируя количество заряда, хранящегося в затворе, флеш-устройства могут хранить несколько (обычно два) бита в каждой физической ячейке. Это фактически удваивает плотность памяти, снижая стоимость. Первоначально устройства PRAM хранили только один бит в каждой ячейке, но последние достижения Intel устранили эту проблему. Поскольку флеш-устройства захватывают электроны для хранения информации, они восприимчивы к повреждению данных из-за радиации, что делает их непригодными для многих космических и военных применений. PRAM обладает более высокой устойчивостью к радиации. Для выбора ячеек PRAM могут использоваться различные устройства: диоды, биполярные транзисторы (BJT) и полевые транзисторы (MOSFET). Использование диода или BJT обеспечивает наибольший ток для заданного размера ячейки. Однако опасения по поводу использования диода связаны с паразитическими токами в соседние ячейки, а также с более высоким требованием к напряжению, что приводит к более высокому энергопотреблению. Сопротивление материала с фазовым переходом (chalcogenide) обязательно больше, чем у диода, что означает, что рабочее напряжение должно значительно превышать 1 В для обеспечения достаточного прямого тока от диода. Возможно, наиболее серьезным последствием использования диодно-выборной матрицы, особенно для больших матриц, является общий ток утечки в обратном направлении с невыбранных линий битов. В транзисторно-выборных матрицах ток утечки в обратном направлении вносят только выбранные линии битов. Разница в токе утечки составляет несколько порядков величины. Еще одна проблема при масштабировании ниже 40 нм — это влияние дискретных примесей по мере уменьшения ширины p-n перехода. Селекторы на основе тонких пленок позволяют достичь более высокой плотности, используя площадь ячейки < 4F2 путем горизонтального или вертикального стекирования слоев памяти. Часто их изоляционные характеристики уступают транзисторам, если коэффициент включения/выключения селектора недостаточен, что ограничивает возможность работы очень больших матриц в этой архитектуре. Пороговые переключатели на основе материала с фазовым переходом были продемонстрированы как жизнеспособный селектор для высокоплотных PCM-матриц.

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 г. и позже

В августе 2004 года Nanochip лицензировала технологию PRAM для использования в устройствах хранения на основе зондов MEMS (микроэлектромеханических систем). Эти устройства не являются твердотельными. Вместо этого, очень маленький диск, покрытый халькогенидом, перемещается под тысячи или даже миллионы электрических зондов, способных читать и записывать информацию на халькогенид. Технология микропривода Hewlett Packard позволяет точно позиционировать диск с точностью до 3 нм, что позволит достичь плотности более 1 Тбит (125 ГБ) на квадратный дюйм, если технологию удастся довести до совершенства. Основная идея заключается в уменьшении количества проводников, необходимых на чипе; вместо подключения каждой ячейки, ячейки располагаются ближе друг к другу и считываются током, проходящим через зонды MEMS, выполняющие функцию проводников. Этот подход аналогичен технологии IBM Millipede.

Samsung 46,7 нм

В сентябре 2006 года Samsung представила прототип устройства емкостью 512 Мб (64 МБ), использующего диодные переключатели. Это заявление стало неожиданностью и особенно выделялось высокой плотностью памяти. Размер ячейки прототипа составлял всего 46,7 нм, что меньше, чем у коммерчески доступных флеш-устройств того времени. Хотя флеш-устройства большей емкости уже были доступны (64 ГБ, или 8 ГБ, только начинали появляться на рынке), другие технологии, конкурирующие за замену флеш-памяти, в целом предлагали меньшую плотность (большие размеры ячеек). Например, существующие в производстве устройства MRAM и FeRAM имели емкость всего 4 Мб. Высокая плотность прототипа PRAM от Samsung указывала на то, что он может стать жизнеспособным конкурентом флеш-памяти, а не ограничиваться узкоспециализированными областями применения, как это было с другими устройствами. PRAM представлялась особенно привлекательной в качестве потенциальной замены флеш-памяти NOR, где емкость устройств обычно отставала от емкости флеш-памяти NAND. Максимальная емкость NAND уже давно превысила 512 Мб. Флеш-память NOR предлагает плотность, аналогичную прототипу PRAM от Samsung, и уже поддерживает битовую адресацию (в отличие от NAND, где доступ к памяти осуществляется блоками по несколько байт одновременно).

Устройство PRAM Intel

За объявлением Samsung последовали заявления Intel и STMicroelectronics, которые продемонстрировали свои собственные устройства PRAM на Intel Developer Forum 2006 в октябре. Они представили 128-мегабитное устройство, производство которого началось в исследовательской лаборатории STMicroelectronics в Аграте, Италия. Intel отметила, что эти устройства являлись исключительно доказательством концепции.

Устройство BAE

PRAM также является перспективной технологией для военной и аэрокосмической отраслей, где воздействие радиации делает использование стандартных энергонезависимых памяти, таких как флэш-память, невозможным. Компания BAE Systems представила устройства PRAM под названием C RAM, заявляя об их высокой радиационной стойкости (rad hard) и устойчивости к ложным срабатываниям. Кроме того, BAE утверждает, что ресурс записи составляет 10⁸ циклов, что делает PRAM потенциальной заменой ПЗУ и EEPROM в космических системах.

Многоуровневая ячейка

В феврале 2008 года Intel и STMicroelectronics представили первый прототип многоуровневого (MLC) PRAM-массива. Прототип хранил два логических бита в каждой физической ячейке, что позволило разместить 256 Мб памяти в физическом массиве объемом 128 Мб. Это означает, что вместо обычных двух состояний – полностью аморфного и полностью кристаллического – использовались два дополнительных, четко различимых промежуточных состояния, представляющих различные степени частичной кристаллизации, что позволило хранить в два раза больше битов на той же физической площади. IBM объявила о создании стабильной и надежной многобитной памяти с фазовым переходом, обладающей высокой производительностью и стабильностью. SK Hynix заключила соглашение о совместной разработке и лицензионное соглашение с IBM для разработки многоуровневой технологии PRAM.

90-нм устройство Intel

Также в феврале 2008 года Intel и STMicroelectronics отправили клиентам прототипы первого продукта PRAM. Этот продукт, выполненный по технологии 90 нм и объемом 128 Мб (16 МБ), получил название Alverstone. В июне 2009 года Samsung и Numonyx B. V. объявили о совместной работе над разработкой аппаратных средств, ориентированных на рынок PRAM. В апреле 2010 года Numonyx представила линейку Omneo – фазовые сменные памяти объемом 128 Мбит, совместимые с NOR. Samsung объявила о начале поставок 512 Мб PRAM (фазовой оперативной памяти) в многочиповом корпусе (MCP) для использования в мобильных телефонах к осени 2010 года.

ST 28 нм, матрица 16 МБ

В декабре 2018 года STMicroelectronics представила данные о конструкции и характеристиках 16 МБ ePCM-массива для автомобильного блока управления, изготовленного по технологии 28 нм с использованием полностью истощенного кремния на изоляторе.

Вычисления в памяти

Совсем недавно наблюдается значительный интерес к применению материалов с фазовым переходом (PCM) для вычислений в памяти. Основная идея заключается в выполнении вычислительных задач, таких как операции умножения матрицы на вектор, непосредственно в массиве памяти, используя аналоговые возможности хранения PCM и законы Кирхгофа. Вычисления в памяти на основе PCM могут быть перспективны для приложений, таких как вывод в глубоком обучении, не требующих очень высокой вычислительной точности. В 2021 году компания IBM представила полноценное вычислительное ядро в памяти, основанное на многоуровневом PCM, интегрированном в 14-нм технологический узел CMOS.

Вызовы

Наибольшей проблемой для памяти с фазовым переходом является требование высокой плотности тока программирования (>107 А/см2, по сравнению с 105–106 А/см2 для типичного транзистора или диода). Контакт между горячей областью фазового перехода и прилегающим диэлектриком – еще одна фундаментальная проблема. Диэлектрик может начать проводить ток при более высокой температуре или потерять адгезию при расширении с иной скоростью, чем материал фазового перехода. Память с фазовым переходом подвержена фундаментальному компромиссу между нежелательным и целевым изменением фазы. Это обусловлено главным образом тем, что изменение фазы – это процесс, управляемый теплом, а не электроникой. Тепловые условия, обеспечивающие быструю кристаллизацию, не должны быть слишком близки к условиям ожидания, например, комнатной температуре, иначе невозможно будет обеспечить сохранение данных. При правильной энергии активации для кристаллизации можно добиться быстрой кристаллизации в условиях программирования и очень медленной кристаллизации в нормальных условиях. Вероятно, самая большая проблема для памяти с фазовым переходом – ее долгосрочная стабильность сопротивления и дрейф порогового напряжения. Сопротивление аморфного состояния медленно возрастает по степенному закону (~t0.1). Это серьезно ограничивает возможность многоуровневой работы, поскольку более низкое промежуточное состояние со временем может быть принято за более высокое, а также может нарушить стандартную двухсостояниевую работу, если пороговое напряжение превысит расчетное значение. В апреле 2010 года компания Numonyx выпустила линейку Omneo с параллельным и последовательным интерфейсами, представляющую собой PRAM-чипы объемом 128 Мбит, заменяющие NOR flash-память. Хотя NOR flash-чипы, которые они планировали заменить, работали в диапазоне от -40 до 85 °C, PRAM-чипы работали в диапазоне от 0 до 70 °C, что указывает на меньший рабочий диапазон по сравнению с NOR flash. Это, вероятно, связано с использованием высокотемпературно-чувствительных p–n-переходов для обеспечения высоких токов, необходимых для программирования.