Nowe pamięci nieulotne

Możliwości ulepszania pamięci DRAM i Flash powoli się wyczerpują. Dlatego też zbliża się czas popularyzacji nowych technologii.

Możliwości ulepszania pamięci DRAM i Flash powoli się wyczerpują. Dlatego też zbliża się czas popularyzacji nowych technologii.

Następne generacje pamięci będą łączyły zalety taniej i szybkiej pamięci ulotnej DRAM z możliwościami pamięci nieulotnej Flash. Taki jest główny kierunek dotychczasowych badań, a producenci układów półprzewodnikowych obiecują, że już w najbliższych latach do sklepów trafią układy pamięci nowej generacji. Na razie za wcześnie jeszcze przesądzać, jaki nowy standard zdobędzie rynek, bo wyścig technologiczny między FRAM, MRAM, NRAM i PRAM wciąż trwa. Ale coraz bliżej do rozstrzygnięcia, bo niektóre technologie, jak FRAM i MRAM, są już praktycznie gotowe do wdrożenia i producentom pozostaje tylko przeprowadzenie ostatecznych kalkulacji biznesowych.

Pamięci ferroelektryczne

Pamięci FRAM wykorzystują materiały ferroelektryczne - krystaliczne nośniki zbudowane m.in. z cyrkonianu i tytanianu ołowiu. Polaryzacja atomów we wnętrzu siatki kryształu może przyjmować jedno z dwóch stabilnych położeń, których zmiana odbywa się przez generację odpowiedniego impulsu pola elektrycznego. Oba stany (1 i 0) są trwałe i umożliwiają przechowywanie zapisu nawet przez 10 lat. Odczyt informacji polega na ponownym przyłożeniu pola elektrycznego i detekcji, jakie są elektryczne parametry odpowiedzi komórki. Są one inne w przypadkach gdy następuje zmiana polaryzacji lub nie. Metoda taka powoduje, że po odczytaniu zapisanego bitu informacji konieczne jest jego ponowne zapisanie.

Układy FRAM mają bardzo niski pobór prądu i potrzebują tylko ok. 1% energii pobieranej przez pamięci DRAM. Ich zasilanie konieczne jest tylko podczas operacji zapisu/odczytu. Z tego względu znajdą zastosowanie przede wszystkim w urządzeniach, dla których niewielki pobór mocy jest bardziej istotny niż duża pojemność pamięci lub małe jej rozmiary. Nad rozwojem tej technologii pracują m.in. Fujitsu i Ramtron.

Na wzór dysków MRAM

Nowe pamięci nieulotne

Schemat działania NRAM

Pamięci nieulotne Magnetoresistive RAM (MRAM), choć rzadko, ale również są już stosowane i dostępne na rynku. Zbudowane są z dwóch ferromagnetyków oddzielonych warstwą izolującą. Jeden z nich jest magnesem o stałej polaryzacji, a kierunek namagnesowania drugiego może być zmieniany. Do odczytu informacji wykorzystywany jest tzw. magnetyczny efekt tunelowy - zmiana rezystancji komórki pamięci zależnie od tego, czy magnesy są zgodnie, czy przeciwnie spolaryzowane. Odczyt odbywa się po prostu przez pomiar rezystancji, a zapis przez modyfikację polaryzacji odpowiedniego mikromagnesu.

Podobnie jak FRAM, mimo dużej szybkości działania i praktycznie nieskończonej liczby cykli zapis-odczyt, MRAM mają stosunkowo duże rozmiary i małą pojemność. Znajdujące się w sprzedaży tego typu układy, oferowane przez Freescale Semiconductor, wytwarzane są w technologii 180 nm. Bardziej zaawansowane technologicznie układy mają trafić na rynek w 2008 r. Zdaniem niektórych ekspertów, MRAM to technologia niszowa, a stosunkowo niewielkie inwestycje w jej rozwój powodują, że nie będzie ona miała zbyt wielkich szans w walce z konkurencyjnymi rozwiązaniami.

Dane w nanorurkach

Pamięci NRAM (Nanotube non-volatile RAM) wykorzystują jednowarstwowe rurki węglowe o grubości ścianek zbliżonej do średnicy atomu węgla. Średnica pojedynczej nanorurki to jeden nanometr (milionowa część milimetra), a każda z nich zbudowana jest z ok. 1000 atomów. W uproszczeniu, działanie pamięci NRAM polega na zmianie kształtu (wygięciu lub wyprostowaniu) nanorurki za pomocą niewielkiego impulsu elektrycznego. Nanorurki są umieszczone na płytce krzemowej w taki sposób, że zmiana kształtu powoduje zamknięcie lub otwarcie miniaturowych obwodów elektrycznych, których stan określa, czy zapisane jest zero, czy jedynka. Kształt pozostaje niezmienny do czasu przyłożenia kolejnego impulsu, dzięki czemu pamięć jest nieulotna. Nanorurki są przewodnikami, więc operacje zapisu lub odczytu nie wymagają dużej energii.

Do niedawna szacunki kosztów wytwarzania tego typu pamięci rozwiewały nadzieję na szybkie uruchomienie masowej ich produkcji. Ale firma Nantero ogłosiła niedawno, że za pomocą klasycznych metod produkcji półprzewodników udało jej się wytworzyć wafel pamięci NRAM o średnicy 13 cm i pojemności prawie 10 Gb. Zastosowano technologię nakładania nanorurek za pomocą technik tzw. spin-coating, a następnie litografii, które technicznie niewiele odbiegają od procesów wykorzystywanych przy produkcji pamięci DRAM. Największymi barierami uruchomienia masowej produkcji NRAM są problemy z odpowiednim pozycjonowaniem 10 mld nanorurek w jednym układzie, a także wysokimi wymaganiami na eliminację mikrozanieczyszczeń w procesie wytwarzania.

Pierwsze układy wykorzystujące technologię NRAM mają trafić do sprzedaży ok. 2010 r., ale według ekspertów, w dalszej przyszłości NRAM może zastąpić wszystkie inne, rozwijane dotychczas, technologie pamięci.

...a może szkło

Pamięć nieulotna PRAM (Phase-change RAM) wykorzystuje zjawisko zmiany fazy materii nośnika krystalicznego. Materiałem najczęściej stosowanym w tej technologii do zapisu informacji jest specjalny rodzaj szkła halkogenowego (stop Germanu, Antymonu i Telluru, obecnie stosowany np. w niektórych rodzajach światłowodów i płytach wielokrotnego zapisu). W postaci amorficznej materiał ten ma wysoki opór elektryczny, ale po impulsowym podgrzaniu powyżej temperatury ok. 600°C następuje jego krystalizacja, a w postaci krystalicznej szkło to ma zdecydowanie niższą rezystancję. Proces podgrzewania, czyli zapisu, trwa mniej niż 5 nanosekund, a odczyt odbywa się bezpośrednio przez pomiar oporu.

Według zapowiedzi, PRAM ma mieć znacznie mniejszy czas zapisu danych niż pamięci DRAM, choć podawane dane zależą od producenta, rodzaju technologii i wykorzystanego nośnika. Interesujące, że PRAM mają być również tańsze, pojemniejsze i znacznie bardziej wytrzymałe. Ich wytwarzanie zapowiadają m.in. Intel, Samsung, IBM i Hynics. Zdaniem analityków, niezależnie od zapowiedzi producentów (Intel obiecywał rozpoczęcie produkcji już pod koniec 2007 r.), układy PRAM będą praktycznie dostępne na rynku ok. 2011 r


TOP 200