Błyskotliwa kariera pamięci flash

Pamięci flash wkrótce mogą zdetronizować DRAM pod względem wartości sprzedaży. Zanim to jednak nastąpi, będzie konieczne opracowanie nowych sposobów ich wytwarzania.

Pamięci flash wkrótce mogą zdetronizować DRAM pod względem wartości sprzedaży. Zanim to jednak nastąpi, będzie konieczne opracowanie nowych sposobów ich wytwarzania.

Bez pamięci flash nie obejdzie się dziś żaden cyfrowy aparat fotograficzny ani przenośny odtwarzacz plików muzycznych. Na niewielkich rozmiarów kartach mieszczą się tysiące zdjęć, setki utworów zapisanych w formacie MP3, a nawet kilkugodzinne nagrania wideo (Panasonic zaprezentował niedawno kartę typu Secure Digital o pojemności 1 GB, która mieści 9 godz. nagrania MPEG-4). Pamięci nieulotne są wykorzystywane we wszelkiego rodzaju przystawkach internetowych, palmtopach i konsolach gier, a także w "poważniejszych" zastosowaniach - w przemysłowych urządzeniach sterujących, w sprzęcie sieciowym i telekomunikacyjnym. Jeśli wreszcie spełnią się marzenia o telefonii komórkowej trzeciej generacji, każdy aparat telefoniczny będzie magazynować wiele danych i do tego celu z pewnością zostanie użyta pamięć flash.

Rosnący popyt na miniaturowe nośniki usprawiedliwia ogromne oczekiwania producentów półprzewodników z nadzieją wypatrujących końca recesji. Jeśli wierzyć analitykom, już za rok rynek pamięci flash będzie pod względem wartości sprzedaży równy rynkowi typowo "komputerowych" DRAM. W najbliższych latach układy flash staną się dominującym rodzajem pamięci. Obecnie roczna sprzedaż pamięci flash kształtuje się na poziomie ok. 8 mld USD. Wartość ta podwoi się do 2006 r., by pod koniec dekady przekroczyć 50 mld USD.

Czy to się powiedzie?

Budowa klacycznej komórki pamięci flashCzytając analizy i prognozy rynkowe, może się wydawać, że trudno byłoby osłabić optymizm producentów, którzy postawili na pamięci flash. Tymczasem przeszkodą w realizacji dalekosiężnych planów mogą się okazać problemy techniczne, o ile producenci w porę nie znajdą remedium.

Źródło sceptycyzmu niektórych specjalistów tkwi w technologii wytwarzania pamięci nieulotnych, istotnie różniącej się od stosowanej przy produkcji DRAM. W przypadku flash znacznie trudniej utrzymać wzrost gęstości upakowania, a w konsekwencji możliwość zwiększania pojemności przy jednoczesnej obniżce cen.

Wizja kilkunastu miliardów dolarów zarobku motywuje jednak producentów do poszukiwania nowych dróg rozwoju pamięci flash. Obecnie prawie każda firma wytwarzająca pamięciowe układy półprzewodnikowe pracuje nad własnymi rozwiązaniami, które mają w najbliższych latach umożliwić opłacalną, masową produkcję mniejszych i tańszych pamięci nieulotnych.

Źródła problemu

Światowy rynek pamięci flash (dane wg Webfeet Research za rok 2001)Zasadę działania komórki pamięci flash można przez analogię porównać do przechowywania cieczy w butelce zatkanej nieprzepuszczalnym korkiem. Zamiast butelki występuje izolowany tranzystor, a rolę cieczy pełnią elektrony (ładunek elektryczny). Przepompowanie elektronów przez "korek" - warstwę izolacyjną (dwutlenek krzemu - warstwa o grubości ok. 9 nm) wymaga stosunkowo wysokich napięć ok. 10 V, ale za to jej efektywność izolacyjna jest bardzo wysoka - umożliwia przechowywanie ładunków przez co najmniej 10 lat i wykonanie miliona operacji zapisu danych. Choć zmniejszenie grubości izolacji pozwoliłoby na obniżenie napięcia niezbędnego do zapisu, lecz jednocześnie obniżyłoby trwałość przechowywania informacji. Względnie wysokie napięcia sterujące powodują, że zmniejszanie wymiarów komórek pamięci napotyka poważną barierę - pojawia się problem, jak uniknąć wpływu operacji zapisu w jednej komórce na komórki sąsiadujące.

Alternatywną metodą na zwiększenie pojemności bez zmniejszania fizycznych wymiarów komórek jest zapis kilku bitów w jednej komórce. Można ten efekt uzyskać, dzieląc komórkę na dwa niezależnie sterowane fragmenty (pamięci typu MBC - Multi Bit Cell) lub też sterując zapisem i odczytem wielu wartości ładunku elektrycznego (MLC - Multi Level Cell). Już obecnie dostępne są pamięci pozwalające na zapis dwóch bitów informacji w jednym elemencie półprzewodnikowym. AMD opracowuje technologię umożliwiającą wytwarzanie pamięci flash MLC, pozwalających na zapis czterech bitów w jednej komórce.

Z punktu widzenia architektury dwa podstawowe typy pamięci flash to: flash OR (80% rynku) i flash NAND (ok. 20%). Różnią się one sposobem dostępu do zapisanych informacji. Pamięci OR mają konstrukcję taką, jak RAM - umożliwiają swobodny dostęp do danych i dlatego nadają się do zapisu kodu programów wykonywalnych lub małych niezależnie odczytywanych/zapisywanych plików. Natomiast NAND mają architekturę sekwencyjną - dane są zapisywane/odczytywane szeregowo w blokach o pojemności wielu kilobitów. Te dwie architektury różnią się istotnie czasem dostępu do danych - dla OR wynosi on 70-90 ns, a w przypadku NAND czas dostępu do bloku danych sięga 35 µs (jest ok. 500 razy większy), choć czas odczytu/zapisu pojedynczych bitów wynosi już tylko 50 ns.

Należy zauważyć, że pamięci flash są znacznie wolniejsze od standardowych układów DRAM, dla których czas dostępu wynosi obecnie ok. 5 ns. Ale w odróżnieniu od DRAM przechowywanie informacji w układach flash nie wymaga podtrzymywania napięć zasilających (stąd określenie "pamięci nieulotne").

Nowe technologie

Intel opracowuje Ovonics Unified Memory, technologię wykorzystującą w układach pamięci podobne materiały, jakie obecnie są stosowane w płytach optycznych wielokrotnego zapisu. Są to pamięci typu PFRAM (Polymer Ferroelectric RAM) - badania nad wykorzystaniem tego typu materiałów prowadzi również AMD.

Inaczej niż w standardowych pamięciach flash, do zapisu w PFRAM nie jest wykorzystywany ładunek elektryczny, a mikroskopowe struktury z materiału krystalicznego, które są ogrzewane do temperatury ponad 300ˇC, a następnie chłodzone. Zależnie od szybkości procesu chłodzenia, następuje ich krystalizacja lub przyjmują postać amorficzną, które różnią się parametrami oporu elektrycznego. Wartość tego oporu definiuje stan elementu pamięci (0 lub 1).

Z kolei Motorola zaprezentowała ostatnio prototypowe pamięci flash wykorzystujące kryształy krzemu o wymiarach 5 nm. Kryształy są umieszczane między dwoma warstwami izolującego tlenku krzemu. Zdaniem przedstawicieli Motoroli technologia ta umożliwia ominięcie problemów ze zmniejszaniem wymiarów komórek pamięci. Obecnie problemem jest miniaturyzacja przy nie zmienionym napięciu 10 V, niezbędnym do poprawnego zapisu i odczytu informacji. Przy zwiększaniu gęstości upakowania pojawiają się trudności ze sterowaniem pojedynczymi komórkami pamięci. Według Motoroli ważną zaletą nowej technologii jest możliwość wykorzystania standardowych, już istniejących, linii produkcyjnych. Pamięci nanokrystaliczne pojawią się na rynku być może już w przyszłym roku.

Wśród innych rozwijanych technologii na uwagę zasługują MRAM (Magnetic RAM) lub FeRAM (ferroelektryczne pamięci RAM rozwijane przez Texas Instruments). Na razie nie sposób przewidzieć, czy i kiedy mogą one znaleźć masowe zastosowania. Tak naprawdę bowiem producentom nie chodzi o znalezienie najbardziej wyrafinowanego rozwiązania z technicznego punktu widzenia, ale takiego, które otworzy perspektywy taniej i masowej produkcji pamięci.