57. Принципы работы, достоинства и недостатки fram, mram.

Магниторезистивное ОЗУ, MRAM. Серьезный конкурент энергонезависимой фазоинверсной памяти – магниторезистивная оперативная память (Magnetoresistive RAM, MRAM). В памяти этого типа данные хранятся в магнитных ячейках, основной элемент которых – магнитный туннельный переход (Magnetic Tunnel Junction, MTJ), образованный двумя слоями сегнетоэлектрика, между которыми заключен тонкий слой диэлектрика. MTJ-структура в свою очередь расположена между двумя взаимно перпендикулярными проводящими линиями (рис.3). Ориентация магнитного поля одного слоя сегнетоэлектрика фиксирована, второго – свободна и зависит от внешнего магнитного поля. Запись выполняется при прохождении по соответствующим проводящим линиям тока, индуцирующего внешнее по отношению к MTJ магнитное поле, которое и задает ориентацию магнитного поля свободного слоя. Если ориентации магнитных полей двух сегнетоэлектриков противоположны, сопротивление туннельного перехода и, соответственно, ячейки памяти велико (логическая 1). При совпадении ориентации обоих полей электроны туннелируют через диэлектрический барьер, и сопротивление ячейки мало (логический 0). Следует подчеркнуть, что состояние MTJ-элемента меняется только когда ток проходит одновременно по двум пересекающимся управляющим линиям. При этом изменение ориентации магнитного поля занимает не более 1 нс. С учетом времени прохождения тока по управляющим линиям операция записи занимает несколько наносекунд. В структуру ячейки памяти также входит МОП-транзистор, который при считывании пропускает ток шины питания через ячейку на общий потенциал. Считывание заключается в измерении сопротивления ячейки, точнее, падения ее напряжения, которое сравнивается с опорным. Значения времени считывания и записи практически мало отличаются друг от друга. Поскольку в ячейку MRAM помимо MTJ-элемента памяти входит транзистор, площадь ее задается транзистором, размеры которого больше, чем у запоминающего элемента. В результате по размерам ячейки памяти MRAM сопоставима с ДОЗУ. Основные достоинства MRAM: высокое быстродействие; почти бесконечное число циклов считывания/записи, поскольку запись осуществляется за счет изменения полярности магнитных слоев без разрушения материала запоминающего элемента; возможность независимого выполнения любых операций над отдельными ячейками и сегментами памяти, что позволяет использовать MRAM одновременно для хранения программ и данных; отсутствие необходимости предварительного стирания данных перед перезаписью и повторной записи после чтения.

Сегнетоэлектрическое ОЗУ (далее FRAM) обладает уникальными свойствами, которые отличают ее от других видов запоминающих устройств. Традиционные полупроводниковые запоминающие устройства можно разделить на две основные группы – энергозависимые и энергонезависимые. К энергозависимой памяти относятся статические оперативные запоминающие устройства (СОЗУ) и динамические оперативные запоминающие устройства (ДОЗУ). Их общим свойством является нарушение содержимого ячеек памяти после снятия напряжения питания. С прикладной точки зрения ОЗУ очень просты в использовании и обладают высоким быстродействием чтения и записи, но также имеют досадную особенность терять данные при исчезновении питания. Энергонезависимая память (ЭНП) не теряет данных при снятии питания. Однако все основные типы ЭНП имеют общие истоки, которые берут свое начало от постоянных запоминающих устройств (ПЗУ). Тем, кто знаком с этой технологией знает насколько сложно осуществить запись информации в ПЗУ, а выполнить запись мгновенно вообще не возможно. Все последующие приемники этой технологии связаны проблемой сложности записи в них новой информации. В настоящее время известны следующие разновидности этой технологии: электрически перепрограммируемое ПЗУ - ЭППЗУ (морально устаревшая технология), электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ – ЭСППЗУ и флэш-память. Технологии на основе ПЗУ обладают медленной записью, подвержены существенному износу при записи, ограничивая количество циклов программирования, и требуют много энергии для программирования. Отличием FRAM является использование технологии ОЗУ, при этом сохраняя энергонезависимость подобно ПЗУ. Таким образом, FRAM заполняет пробел между двумя категориями и создает нечто новое – энергонезависимое ОЗУ. Технология FRAM. Ядром сегнетоэлектрической FRAM-технологии от Ramtron являются сегнетоэлектрические кристаллы, которые позволяют законченным FRAM-изделиям работать подобно ОЗУ, при этом обеспечивая энергонезависимость хранения данных. Когда электрическое поле прикладывается к сегнетоэлектрическому кристаллу, центральный атом движется в его направлении. Т.к. атом перемещается в пределах кристалла он проходит энергетический барьер, сопровождаемый спонтанной поляризацией. Внутренняя схема позволяет определить величину заряда и состояние памяти. Если электрическое поле отведено от кристалла, то центральный атом остается в том же положении, определяя состояние памяти. Поэтому, FRAM не нуждается в регенерации и после отключения питания сохраняет свое содержимое. Все происходит быстро и без износа! FRAM-технология совместима со стандартной промышленной технологией КМОП. Сегнетоэлектрическая тонкая пленка размещена над основными КМОП слоями и сжата между двумя электродами. Технологический процесс сборки завершают металл для внешнего подключения и пассивация.

Технология FRAM от Ramtron имеет также историю развития. Первоначально, архитектура FRAM требовала два транзистора и два конденсатора (2T/2C), что привело к относительно большим размерам ячейки памяти. Недавние улучшения сегнетоэлектрических материалов и технологии позволили избавиться от необходимости применения опорного конденсатора в каждой ячейки массива сегнетоэлектрической памяти. Новая однотранзисторная-одноконденсаторная архитектура от Ramtron работает подобно ДОЗУ, используя один конденсатор в качестве общего опорного конденсатора для каждого столбца массива памяти, тем самым позволив в два раза уменьшить требуемый размер ячейки по сравнению с архитектурой 2T/2C. Новая архитектура существенно улучшает влияние кристалла и уменьшает производственную стоимость конечных изделий – микросхем FRAM-памяти. Ramtron также стремиться уменьшать шаг технологической сетки, чтобы снизить себестоимость ячеек FRAM памяти. Так недавний переход на 0.35мкм технологию позволил снизить потребляемую мощность и увеличить размер матрицы по сравнению с предшествующими поколениями FRAM памяти, выполненных по 0.5 мкм технологии. Ближайшей перспективой совершенствования архитектуры FRAM-памяти является также использование архитектуры 1Т/1С, но с размещением сегнетоэлектрического конденсатора над транзистором. Это будет способствовать дальнейшему уменьшению размеру ячеек памяти и переходу на шаг технологической сетки до 0.1мкм. Достижение этих результатов позволит в будущем преодолеть, пожалуй, единственный недостаток по сравнению с существующими популярными технологиями ЭНП – ограниченный размер памяти (до 32 кБ). Все рассмотренные технологии FRAM-памяти находят применение во многих приложениях, с которыми люди сталкиваются ежедневно. FRAM содержится в большом количестве изделий и приложений по всему миру от офисных копиров и высокопроизводительных серверов до автомобильных бортовых самописцев (черных ящиков) и электронных развлекательных устройств.

58.Принципы работы достоинства и недостатки памяти на основе аморфных полупроводников, молекулярной памяти Nanotube-RAM. Многие, наверное, уже в курсе того, что для создания электронных микросхем нового поколения как один из вариантов уже наверняка будут использованы углеродные нанотрубки, представляющие собой одну из аллотропических разновидностей углерода и обнаруженные впервые как побочный продукт синтеза фуллеренов. Углеродные нанотрубки были открыты в лабораториях японской компании NEC, которой принадлежат все права на их коммерческое использование, и которая собирается представить первую интегральную схему на нанотрубках к 2010 году. Но NEC – не единственная компания, занимающаяся их исследованием, интерес к этим технологиям проявляют такие киты полупроводниковой промышленности, как Intel и IBM. Но на прошедшей под эгидой Semico Research на прошлой неделе конференции Impact Conference было еще одно интересное сообщение, касающееся углеродных нанотрубок – молодая компания Nantero сообщила о создании рабочих прототипов энергонезависимой памяти, построенной на углеродных нанотрубках. В следующем году Nantero пообещала продемонстрировать чип объемом 1 Мбит. Надо полагать, что название новой технологии энергонезависимой памяти получила благодаря использованию нанотрубок (NRAM – Nanotube RAM), хотя, конечно, могут быть и другие трактовки (например, Nantero RAM).

59. Принципы работы, достоинства и недостатки: памяти на основе МЕМ Подходя к энергонезависимым МЕМS, полимерный памяти, топографической памяти. Заменим ячейки представляющие собой механические пластинки MEMS технологий для повышения плотности хранения данных. Чипы флэш-памяти, по прогнозам, начало замедления их плотность битов рост в ближайшие несколько лет в связи с литографией связаны ограничениями. Nanochip является одним из новообразованных компаниях которая работает, чтобы обойти эти ограничения. Компании является разработка нового класса ультра - высокая емкость чипов на основе технологии MEMS. Технология Nanochip будет возможностей для хранения десятков гигабайт данных на одном кристалле, что эквивалентно многие высокой четкости, видео-функцию длины, при существенно меньших затратах, чем сегодняшние Flash памятью.

Память на основе MEMS (Micro-ElectroMechanical System)

А вот компания Cavendish Kinetics предложила еще один подход к созданию энергонезависимых запоминающих устройств. Ее подход строится на основе микроэлектронных механических систем (MEMS), причем с возможностью интеграции в КМОП(CMOS)-процессы. Память будет выпускаться в двух вариантах, с возможностью однократной записи и со способностью перезаписи.

Как полагает компания, ее технология, названная «Nanomech», обладает наименьшим энергопотреблением среди встраиваемых типов памяти, а ее скорость работы сравнима со скоростью работы флэш-памяти.

Название Nanomech иллюстрирует ее принцип действия. Запоминающая ячейка представляет собой проводящую (металлическую) пластину,закрепленную над контактом. Если между контактным электродом и пластиной создать разность потенциалов, она изогнется и коснется контакта, в результате чего электрическое сопротивление упадет практически до нуля. Этот эффект обладает гистерезисом, так как после касания пластинки контакта происходит «залипание» — для разрыва контакта необходимо приложить усилие. Таким образом возможно создание ROM – памяти, в которую что-либо записать можно лишь однажды. Для перезаписи над пластинкой достаточно поставить дополнительный электрод, приложением потенциала к которому можно «разлепить контакт».

К преимуществам нового типа памяти можно отнести также то, что ток в режиме ожидания отсутствует, для записи требуется совершить механическую энергию величиной всего 25 пкДж, и устройство может работать при температуре 200 ºС