Память FeRAM — дважды hi-tech


Развитие оперативной памяти, пожалуй, — бесконечный процесс, целью которого является увеличение частоты работы, ширины шины, а также уменьшение времени доступа, а, в некоторых случаях, и увеличение устойчивости к воздействиям извне, например, радиации. В настоящий момент требования к памяти не изменились, но к перечисленным добавились новые, удовлетворить которые намного сложнее, чем это было ранее. Среди них одним из важнейших является энергонезависимость и возможность встраивать память огромного объема в процессоры. Движение в этом направлении начато уже достаточно давно, и его результатом стало появление таких перспективных технологий, как флэш-память, FeRAM, а также MRAM. Каждая из них имеет свои преимущества и недостатки. Флэш-память позволяет практически бесконечно хранить записанную информацию без необходимости проведения циклов регенерации, которые необходимы для DRAM. MRAM, новый вид магниторезистивной памяти, продвигаемый на рынок фирмой Infineon Technologies AG, направлен на продвижение энергонезависимой памяти в компьютерах и мобильных устройствах. Это может принести пользователям многочисленные преимущества, вплоть до моментальной загрузки операционной системы после включения питания компьютера. Принцип действия этого вида памяти основан на зависимости сопротивления материала от приложенного магнитного поля. Все эти и многие другие преимущества вобрал в себя новый вид ферроэлектрической памяти. FeRAM умело сочетает простоту и надежность в эксплуатации DRAM, энергонезависимость MRAM и времена хранения информации флэш-памяти. Поскольку она включает практически все преимущества перечисленных видов памяти, то по праву может называться будущим современных технологий памяти, на чем, собственно, и делают акцент производители.

В нашу эру, когда космические корабли бороздят просторы вселенной, информационные технологии шагнули дальше поверхности Земли. Теперь они используются в космосе. А для того чтобы электронные компоненты могли нормально функционировать на орбите, они должны выдерживать порядочные дозы проникающей радиации и работать без сбоев в таких сложных условиях. Решение этой проблемы — нелегкая задача. FeRAM — это память не только мобильных телефонов и персональных компьютеров, это память исследователей космоса, память, которая сделает реальными далекие космические экспедиции (дальше околоземной орбиты :-). Она может нормально функционировать при воздействии порядочных доз радиации, что является импульсом для использования такого вида памяти на космических кораблях и станциях.

Как и многие другие производимые в настоящий момент информационной индустрией электронные компоненты, FeRAM является наукоемкой технологией, и без специальных научных знаний в области электромагнетизма понять ее очень сложно. На этом этапе нам не обойтись без физики и некоторых физических терминов, которые будут необходимы нам в дальнейшем.

Специальные термины

Дипольный момент — физическая величина, определяемая формулой p=Ql, где Q — это величина смещенного заряда в результате действия электрического поля, а l — это расстояние, на которое данный заряд был смещен. Дипольный момент — это векторная величина, которая имеет направление от негативного заряда к позитивному. Электрически нейтральный атом становится диполем (Рис. 1) после воздействия электрического поля на облако электронов. Электронные оболочки вытягиваются и получается, что отрицательный заряд электронного облака смещен относительно положительного заряда ядра и не компенсирует его. Вытягивание электронных оболочек вследствие воздействия электрического поля свойственно не всем атомам, а только определенному классу, называемому ферроэлектриками.


Рис.1 Диполь ферроэлектрика

Домен — это элементарная ячейка ферромагнетика, которая состоит из диполей. В отсутствие внешнего электрического поля диполи домена ориентированы таким образом, что компенсируют воздействие друг друга. Поэтому в отсутствие внешнего электрического поля домены являются электронейтральными.

Диэлектрическое смещение — это значение электрического поля в материале. Определяется формулой:

Где — это значение диэлектрической проницаемости свободного пространства, P — значение поляризации материала. E — напряженность электрического поля.

Петля гистерезиса — это неоднозначная зависимость поляризации материала от приложенного электрического поля. Неоднозначность заключается в том, что при увеличении электрического поля значение поляризации изменяется по закону 4 -> 1 -> 2, а при уменьшении — 2 -> 3 -> 4 (Рис. 2).


Рис. 2. Петля гистерезиса

Поляризация насыщенности — это значение поляризации, когда все диполи поворачиваются вдоль поля. При увеличении приложенного электрического поля поляризация начинает изменяться по линейному закону (правее точки 2 на Рис. 2). Экстраполируя этот линейный закон до пересечения с осью поляризации на петле гистерезиса, получим значение поля насыщенности P0.

Остаточная поляризация — значение амплитуды поляризации при значении электрического поля E=0. На петле гистерезиса (Рис. 2) обозначена Pr. Если после снятия электрического поля диполи не изменили своего направления, то значение остаточной поляризации Pr и значение поляризации насыщенности P0 будут равны.

Коэрцитивное поле (Ec) — это значение электрического поля, когда значение поляризации материала становится равным 0. В однодоменном кристалле это поле может быть интерпретировано значением, когда поляризация кристалла переключается из одного состояния в другое. В мультидоменном кристалле это значение электрического поля, когда половина диполей ориентирована вдоль поля, а другая — против. Это значит, что одна половина компенсирует другую, и суммарная поляризация мультидоменного кристалла равна нулю.

Усталость материала — показывает постепенное изменение поляризации в сторону уменьшения значения с увеличением количества циклов зарядки конденсатора. Так, в материале PZT значение поляризации становится меньше допустимого минимума после 1012 циклов зарядки.

Старение материала — показывает деградацию поляризационных параметров, таких как остаточная поляризация Pr и поляризация насыщенности P0 с течением времени. Согласно литературе, изменение этих параметров происходит по логарифмическому закону.

Предпочтение диэлектриком значения сигнала (imprint) — показывает предпочтение диэлектриком одного состояния другому, если он находится долго в этом состоянии.

Релаксация — это уменьшение остаточной поляризации Pr если конденсатор недоступен в течение некоторого количества циклов зарядки.

В физике материалов выделяют класс материалов, ферроэлектриков, которые имеют достаточно большую электрическую проницаемость и спонтанную поляризацию. Это значит, что без наложения электрического поля материал уже имеет некую поляризацию, которая после наложения электрического поля может менять свой знак. Эта поляризация материала при нулевом электрическом поле может иметь 2 значения Pr и -Pr, что может быть интерпретировано как "0" или "1". Для объяснения этого явления легче всего воспользоваться петлей гистерезиса (Рис. 2).

Допустим, что без наложения электрического поля материал имеет спонтанную поляризацию -Pr (точка 1). При увеличении значения электрического поля изменения поляризации происходит по закону 1 -> 1' -> 2. При этом проходится точка 1', где поляризация материала равняется 0. При определенном значении электрического поля поляризация начинает изменяться по линейному закону (правее точки 2), то есть, достигается насыщенность материала. В этом случае, все диполи в материале переориентированы в одном направлении, что, собственно, и определяет насыщенное значение поляризации материала. В случае уменьшения электрического поля, диполи поддаются тепловому хаотическому движению, а это определенным образом влияет на величину поляризации материла: поляризация уменьшается по закону 2 -> 3 -> 3'. При нулевом значении электрического поля поляризация материала не равняется 0, а равна Pr. При наложении электрического поля обратного направления можно снова достичь насыщения материала (точка 4). Это значит, что все диполи в материале перестроились в обратном к точке 2 направлении. Увеличивая электрическое поле, можно снова вернуться в точку 1. Петля гистерезиса в этом случае будет полностью пройдена. Точки 1 и 3, где нулевому электрическому полю соответствует ненулевая поляризация материала, а равная соответственно -Pr и Pr, интерпретируются, как "1" и "0" бинарного кода.

Игроки на рынке FeRAM

Процесс производства в настоящее время отличается тем, что от момента разработки технологии до момента массового выпуска продуктов проходит очень маленький период времени. Единственным и, пожалуй, главным движущим фактором в этом процессе является выпуск на рынок конкурентоспособного продукта. В этом стремлении выигрывает тот игрок, который быстрее своих конкурентов выпустит на рынок готовый продукт, удовлетворяющий требованиям потребителей по доступным ценам. FeRAM не является исключением в этой гонке. Производители ферроэлектрической памяти разделились на два конкурирующих между собой лагеря. Одна часть, возглавляемая постоянными партнерами в производстве памяти Infineon Technologies AG и Toshibа, разрабатывает технологию памяти, основанную на производственном процессе 1T/1C (1 транзистор / 1 конденсатор) для рынка мобильных устройств, персональных компьютеров и PDA. Производство основано на классе материалов PZT (Provskite lead zirconate titanate), которые были лицензированы фирмой Toshiba у фирмы Ramtron. Infineon также имеет кросслицензионные соглашения с Ramtron относительно использования разработанной этой фирмой технологии производства FeRAM. Технологию PZT у Ramtron также лицензировали фирмы Hitachi и Rohm. Второй фирмой, которая занималась разработкой ферроэлектрической памяти на основе оксида стронциума-висмута-танталум (strontium-bismuth-tantalum oxide) и оксида стронциума-висмута-ниобия (strontium-bismuth-niobium oxide), была Symetrix. Далее лицензионные соглашения были заключены между Symetrix и фирмами Matsushita, NEC, Siemens, Motorola, Hynix и Micron. Эти фирмы, главным образом, занимаются разработкой конкурентоспособных продуктов со встроенной FeRAM для рынка процессоров и микроконтроллеров. Основные игроки этой группы — это NEC и Matsushita, которые ведут разработки на основе технологического процесса 2T/2C. Это более ресурсоемкая технология производства памяти по сравнению с 1T/1C. Введение дополнительного транзистора и конденсатора в ячейку памяти обуславливает большую стабильность работы, но, в то же время, увеличивает площадь микросхемы той же конфигурации и поднимает цену продуктов, произведенных по такому процессу.

Cначала давайте рассмотрим наиболее простой процесс 1T/1C, по которому производится львиная доля современной памяти.

Процесс производства 1T/1C

Ячейка ферроэлектрической памяти похожа на 1T/1C ячейку DRAM. Единственное отличие заключается в том, что в DRAM одна из обкладок конденсатора заземлена, а в FeRAM она подключена к передающей линии (driveline).


Рис. 3 Ячейки DRAM и FeRAM

Запись в ячейку памяти DRAM происходит следующим образом: на линию данных (bitline) выставляется значение сигнала, который следует записать в конденсатор. Для записи 1 на линию данных подается положительное напряжение питания Vdd. После этого на управляющую линию (wordline) подается сигнал, который открывает полевой транзистор. Конденсатор заряжается, и мы имеем сохраненный бит информации. В ячейке FeRAM запись 1 происходит другим образом. Для этого на передающую линию подается положительное напряжение питания, линия данных заземляется, а полевой транзистор находится в открытом состоянии. Бинарной "1" соответствует точка 1 на графике петли гистерезиса (Рис. 2).

Запись "0" происходит подобным образом. В DRAM линия данных подключается к земле, а транзистор открывается. В этом случае конденсатор полностью разряжается, что и соответствует бинарному "0". В FeRAM запись 0 (положительное значение поляризации материала, точка 3 на графике петли гистерезиса, см. Рис. 2) происходит после подачи положительного напряжения питания на линию данных. В этом случае передающая линия подключается к земле, а транзистор держится в открытом состоянии.

Подводя итог под различиями в работе ячеек DRAM и FeRAM, можно сказать, что иной принцип работы ячейки ферромагнитной памяти является результатом того, что бинарным "1" и "0" соответствуют отрицательное и положительное значения поляризации, а не нулевой и единичный заряд конденсатора, как это происходит в случае с DRAM.

Значение ячейки памяти FeRAM можно определить после подачи положительного напряжения питания Vdd на передающую линию. Если начальная поляризация ферромагнетика негативная (позитивная), то чтение ячейки возвращает маленькое (большое) значения сигнала на линии данных. Одним из негативных свойств ячейки ферромагнитной памяти является то, что, после чтения содержимого, данные в ней перестают сохраняться. То есть, после чтения ячейки, в ней необходимо обновить значение поляризации.

Производственный процесс 2T/2C

Ячейка ферромагнитной памяти, производимая по схеме 2T/2C, состоит из двух ячеек 1T/1C (Рис. 4). Также как и ячейка 1T/1C, ячейка 2T/2C имеет управляющую линию (WordLine) и передающую линию (PlateLine), но данные с конденсаторов считываются через раздельные линии данных (BitLine и Complement BitLine). За счет этого достигается большая надежность хранения информации. А становится возможным это благодаря тому, что данные, хранящиеся в двух конденсаторах всегда противоположные. При этом напряжение между шиной данных (BitLine) и комплиментарной ей (Complement BitLine) всегда будет либо V0 — V1 , либо V1 — V0, где

— напряжения на линии данных и комплиментарной ей, C0 и C1 — емкости конденсаторов, из которых состоит ячейка, CBitLine — паразитная емкость шины данных, а Vdd — положительное напряжение питания. Значения напряжения между линиями зависит от того, где хранится "1" в C0 или C1. Сигнал с конденсаторов подается на усилитель, после которого считывается значение ячейки 2T/2C. Использование усилителя, а также дополнительной ячейки 1T/1C значительно увеличивает цену такой памяти. Существенное увеличение размеров ячейки 2T/2C также играет немаловажную роль. Это приводит к тому, что в настоящий момент не может быть достигнуто высокой интеграции такой памяти. Наибольшие структуры, произведенные по такой технологии, имеют объем 1 мегабит.


Рис. 4. Схема 2T/2C

С другой стороны, повышенная надежность таких систем позволяет с успехом использовать их в нечеловеческих условиях, в условиях космоса. Даже маленькому ребенку известно, что для того, чтобы система могла работать в космосе, она должна выдерживать изрядные доли радиации. FeRAM прекрасно зарекомендовала себя в таких условиях, что открывает неизведанные горизонты для использования этой технологии. Энергонезависимость, а, следовательно, и малое потребление энергии становятся серьезным козырем FeRAM в борьбе за лидерство на рынке технологий для космоса. Я не оговорился: именно на рынке космических технологий, так как сейчас мы наблюдаем процесс коммерциализации космических исследований, суть которого заключается не только в запуске коммерческих космических аппаратов, но и в участии транснациональных корпораций в национальных космических программах.

Результаты научных исследований

В конечном счете, нас, как потребителей продуктов высоких технологий, в первую очередь, интетересует реализация таких разработок в железе или кремнии (это — кому как угодно). FeRAM по праву можно назвать дважды высокой технологией. Во-первых, она разработана на основе последних научных достижений во многих областях естествознания. Сам по себе эффект гистерезиса в ферроэлектриках не нов, однако разработчики ждали появления новых материалов, которые бы имели удовлетворительные характеристики. Во-вторых, одним из применений ферроэлектрической памяти может быть использование ее на космических аппаратах, а что может находиться в наше время выше них (а это как-никак 36000 км для геостационарной орбиты :-).

Итак, о продуктах, выпущенных на рынок производителями. Toshiba совместно с Infineon Technologies выпустила прототип 8-мегабитной микросхемы памяти FeRAM. 32-мегабитная микросхема ожидается в начале 2002 года. По заявлению Шизуо Савада (Shizuo Sawada), менеджера передовых устройств памяти фирмы Toshiba, массовое производство памяти начнется в 2003 году. В настоящий момент ведутся разработки 64-мегабитных и 128-мегабитных микросхем памяти. 32-мегабитные кристаллы будут производится по 0.25-микронному процессу, с последующим переходом на 0.20-микронный процесс. 8-мегабитные кристаллы имеют площадь 76 квадратных миллиметров и цикл записи информации от 100 до 160 нс. Тех, кого заинтересуют более детальные параметры модулей FeRAM, производимых этими фирмами, отсылаю на новостной сайт EETimes.com.

Фирмы NEC и Fujitsu, занимающиеся разработками встраиваемой FeRAM для процессоров и микроконтроллеров по процессу 2T/2C, достигли не таких значительных успехов на пути увеличения объема памяти, как фирмы Infineon и Toshiba. Это и не странно, поскольку они ставят перед собой немного другие цели. Последние достижения NEC в этой области — это 1-мегабитная структура, которая, как ожидается, будет встраиваться в смарт карты. Структура будет производиться по 0.35-микронному процессу и иметь площадь 18.7 квадратных миллиметра. Это не значит, что NEC существенно отстала в процессе производства от своих конкурентов, просто размеры ячейки 2T/2C, значительно (практически, в 2 раза) превосходят размеры ячейки 1T/1C, на основе которых производят память Toshiba и Infineon Technologies. Интересующихся дополнительной информацией отсылаю на тот же сайт EETimes.com.

Перечисленные мной производители не являются единственными, кто занимается разработкой и производством систем на основе FeRAM. Помимо них, на рынке существует огромное количество таких фирм. Среди них можно выделить Ramtron — пионера в производстве данного вида памяти, который в последнее время отстает от лидеров на рынке FeRAM. В то время, когда Toshiba, лицензировавшая у Ramtron технологию производства памяти на основе материала PZT, выпустила первую пробную партию 8-Мбитных кристаллов, фирмой Ramtron были достигнуты плотности производства лишь в 256 бит. Также в данном направлении занимаются разработками фирмы IBM Microelectronics и Mitsubishi Electric Corp., Hynix и Celis Semiconductor Corp., и многие другие.

Итог

Подводя итог всему вышесказанному, можно выделить то, что FeRAM имеет неоспоримые преимущества над существующими технологиями. Более того, как потомок современных технологий памяти, она взяла лучшее от своих предков. С другой стороны, память имеет ряд существенных недостатков, не рассмотренных нами в данной статье. Большинство из них (старение и усталость материала, предпочтение диэлектриком значения сигнала и релаксация) — это результат особых свойств ферромагнитных материалов, и от них в настоящий момент достаточно сложно избавиться.

Увеличившаяся сложность производства ферроэлектрической памяти объясняется, скорее, особенностью хранения информации в FeRAM в отличие от DRAM. Производственный процесс 2T/2C позволяет достичь большей надежности памяти, которая может быть применима в условиях космоса, однако в несколько раз усложняет производство памяти по такому процессу и увеличивает цену FeRAM. Проблемы увеличения плотности массива памяти — это временные проблемы. Они, несомненно, должны быть решены, так как аналитики фирмы Matsushita оценивают рост размеров рынка ферромагнитной памяти до 690 млн. долларов к 2005 году.




Дополнительно

iXBT BRAND 2016

«iXBT Brand 2016» — Выбор читателей в номинации «Процессоры (CPU)»:
Подробнее с условиями участия в розыгрыше можно ознакомиться здесь. Текущие результаты опроса доступны тут.

Нашли ошибку на сайте? Выделите текст и нажмите Shift+Enter

Код для блога бета

Выделите HTML-код в поле, скопируйте его в буфер и вставьте в свой блог.