Министерство  образования и науки Российской Федерации

Факультет «»

Кафедра «» 

Перспективные технологии памяти

РЕФЕРАТ

по дисциплине «» 

Проверил

______________________2010 г. 

Автор работы (проекта)

____________________2010 г. 

Реферат защищен

с оценкой 

___________________________

_____________________2010 г. 
 

Златоуст 2010

 

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ  ПЕРСПЕКТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ 5

2. КЛАССИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ 10

3. ТИПЫ ПАМЯТИ 11

3.1.ПОЛИМЕРНАЯ  ПАМЯТЬ (PFRAM) 11

3.2. PRAM 12

3.3. MRAM 12

3.4. FERAM 15

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 17

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 19

 

ВВЕДЕНИЕ

   Создание  новых технологий, их развитие и  воплощение в коммерческих продуктах – процесс непрерывный и закономерный. Без появления новых технологий остановился бы технический прогресс, а рыночную экономику ждал бы неминуемый коллапс. Однако каждая из новых разработок имеет свои особенности и определенный потенциал. Если одни могут лишь незначительно улучшить существующие решения, то другие способны совершить настоящий переворот в той или иной отрасли ИT-индустрии.

   В современной электронике применяется  несколько видов полупроводниковой  памяти, различающихся по емкости (объему), рассеиваемой мощности, уровню питания, внутренней организации, типу интерфейса, быстродействию, габаритам и другим характеристикам. Производится тысячи разновидностей этих микросхем с различными параметрами, но, пожалуй, одним из главных отличий является отношение памяти к наличию питания. Одни типы (FLASH, EEPROM, OTP EPROM) способны сохранять записанные данные при выключенном питании, другие – нет. Есть и еще одно важное различие: одни виды допускают обращение по любому адресу, то есть к произвольной ячейке, а другие, в силу технологических или иных особенностей, имеют ограничения по адресации данных. Пока нет универсального варианта, разработчику, к сожалению, приходится ставить на одну плату два, три, а то и больше разных видов памяти. И каждый из них требует формирования своих, особенных диаграмм записи и чтения.

   Попытки создать универсальную память, обладающую достоинствами всех видов – энергонезависимостью, малым временем доступа и произвольной адресацией, велись непрерывно. Испытывались различные физические принципы, опробовались новые материалы, разрабатывались  и менялись технологии.      Появились новые микросхемы памяти, причем некоторые из них стали серийным продуктом, изменились структуры ячеек памяти, яснее обозначились возможности, достоинства и недостатки различных технологий. Наконец, появились совершенно новые технические решения.

1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

   Кремниевые  полупроводниковые технологии почти  исчерпали свои ресурсы, и поэтому  неотвратимо приближается эра новых  технических решений. В декабре 2005 года было опубликовано официальное  сообщение International Technology Roadmap for Semiconductors от имени Международного комитета производителей. В сообщении говорится о начале перехода к посткремниевой эре в  схемотехнике. Производители из Японии, Европы, Кореи, США и Тайваня планируют  в ближайшее время представить  объединенный план перехода на новую  технологию. Вероятно, универсальная  память, как важнейший компонент  электронных устройств, если когда-нибудь и появится, то будет продуктом  именно новых, а не традиционных кремниевых технологий. [4]

   Основным  отличием современных подходов к  разработке энергонезависимой памяти является применение совершенно новых  физических принципов и механизмов хранения информации:

• перемещение заряда в кристалле или молекуле вещества (сегнетоэлектрическая память FRAM);
• изменение электрического сопротивления ячейки в зависимости от изменения магнитного поля (магнито-резистивная память MRAM);
• изменение фазового состояния вещества и связанного с ним изменения электрических свойств (CRAM или PC Memory);
• использование наномеханических переключателей, имеющих два стабильных положения (NRAM).

   Приблизительно  с 2000 года ведутся настойчивые попытки  разработать технологию серийного  производства памяти на веществах с  изменяемым фазовым состоянием. На так называемых халькогенидах на основе селена, серы или теллура. Эти  вещества (халькогениды) меняют свое строение при нагревании, переходя из кристаллической фазы в аморфное состояние. В этом состоянии вещество остается после остывания. Но если его вновь нагреть и выдержать в расплавленном состоянии короткое время (около 50 нс), то оно вновь вернется к исходному, кристаллическому виду. Широко известны оптические запоминающие устройства (CD ROM), которые реализуются именно на таких материалах.

   Как оказалось, при смене фазового состояния  меняются не только оптические, но и  электрические характеристики вещества. Проводимость кристаллического перехода отличается от проводимости аморфного  в десятки и даже сотни раз. Эту особенность и используют в новых ИС запоминающих устройств. Кроме энергонезависимости привлекательными качествами ЗУ на халькогенидах являются также исключительно высокая  радиационная стойкость, нечувствительность к электрическим и магнитным  полям, что крайне важно при создании аэрокосмических аппаратов и  военной техники.  По этой причине  повышенный интерес к исследованиям  в данной области проявляют структуры, связанные с космосом и обороной.

   Первыми занялись разработками технологии специалисты  фирмы Ovonyx. Компании удалось добиться успеха в своих исследованиях  и определить основные принципы технологии производства памяти в интегральном исполнении. Патенты на нее быстро разошлись по свету. Попытки усовершенствовать  процессы и получить промышленные образцы  таких ЗУ велись в ряде крупнейших фирм (STMicroelectronics, BAE Systems). Конечно же, такой гигант, как Intel, тоже не обошел вниманием указанную проблему, но он, впрочем, принимает участие в  разработках вообще всех перспективных  технологий. Однако удача сопутствовала  не всем. Прошли годы, но лишь одна BAE Systems (компания — один из крупных поставщиков  электронных систем для вооруженных  сил США и NASA), сообщила о начале серийного производства C-RAM (Chalcogenide Random Access Memory). В других компаниях  такие ЗУ называют PCM (Phase Change Memory), или OUM (Ovonyx Unified Memory). [1]

   Другая  технология, в которой использованы самые современные достижения, память на нанопереключателях, реализуется  на углеродных нанотрубках. (Приставка  «нано» означает применение прецизионных технологий, в которых размеры  основных элементов структуры меньше 100 нм (< 0,1 микрона), а также продукты, в принципах, работы которых проявляются  законы квантовой физики.) Здесь  использованы новые, ранее неизвестные  материалы и недоступные решения.

   Всем  со школьных времен хорошо известны такие  структурные формы существования  углерода, как графит и алмаз. Углеродная нанотрубка – это новая форма  углерода, представляющая собой свернутые  в пустотелую трубочку с диаметром  в несколько нанометров и длиной в десятки микрон «сеточки», состоящие  из атомов углерода. Сеточки образуются структурами, напоминающими пластинчатые молекулы графита. Впервые они были обнаружены японской компанией NEC в 1991 году, в процессе производства фуллеренов. Эти структуры, представляющие собой  порошок черного цвета, очень  похожий на сажу, интересны не своими размерами и необычной формой, а, прежде всего, особенными качествами. Оказывается, строение нанотрубки определяет ее электронные свойства: они могут  быть металлами, полуметаллами или  полупроводниками. Так, многослойные трубки имеют свойства, присущие полупроводникам.

   Первая  ячейка памяти на нанотрубках, разработанная  в компании NEC, представляла собой  сеть скрещивающихся в пространстве углеродных трубок, часть из них  могла приходить в соприкосновение  друг с другом, меняя сопротивление  цепи. Программирование состояния, то есть запись данных, производилось  путем подачи электрического тока к  нужному участку, считывание – измерением сопротивления цепи, Точнее, сравнением его с некоторым пороговым  уровнем. Этот тип памяти обещал прекрасные перспективы в будущем, так как  ячейки получались малопотребляющими  при записи и энергонезависимыми при хранении данных. Однако, кроме  высокой стоимости производства, дело осложнялось техническими проблемами. Технология требовала идентичности свойств нанотрубок и строгого контроля за их пространственной ориентацией. Достичь этого удавалось с большим трудом.

   Несколько лет назад о своих первых успехах  в данном направлении объявила новая  американская компания Nantero (www.nantero.com), которая ведет исследования в  партнерстве с ON Semicoductors, LSI Logic и уже  знакомой нам BAE Systems. Nantero удалось найти  оригинальное решение проблемы: в  новой структуре вся поверхность  предварительно обработанной должным  образом кремниевой пластины покрывалась  углеродными нанотрубками, а затем  часть из них удалялась методом  обычной литографии.

   В исходном состоянии нанотрубки натянуты и не касаются поверхности расположенных  ниже электродов. Расстояние между  плоскостью размещения углеродных трубок и поверхностью электродов равно  всего 13 нм. При записи информации напряжение прикладывается к электродам и элементам  межсоединений. Находящиеся над  местом пересечения эластичные трубки прогибаются вниз под действием  электрического поля и касаются поверхности  электродов, меняя сопротивление  цепи. Трубки удерживаются в таком  положении под действием сил  Ван Дер Ваальса после снятия напряжения(некоторая избыточность трубок лишь повышает надежность системы). Подача обратного напряжения позволяет  им вновь распрямиться и разорвать  контакт между элементом межсоединения  и электродом. Таким образом можно  записывать и стирать информацию. Пространственная ориентация трубок и  интервал между ними при данной технологии не играют особой роли. Упрощения сказываются  на стоимости конечного продукта, снижая ее до разумных пределов.

   В процессе чтения измеряется сопротивление  цепи между электродом и элементом  межсоединения. Если оно мало (если трубки касаются электрода), то полагают, что в ячейку записан «0», в  противном случае — «1». При тестировании опытных образцов скорость записи данных в ячейку не превышала 5 нс.

   Оказалось, что для выполнения записи и стирания данных не требуется больших токов  и зарядов. Память получается очень  экономичной. Во всяком случае, лабораторные экземпляры обещают чудесные параметры  в будущем: благодаря применению нанотехнологий размеры ячейки должны быть меньше, чем у DRAM, и, следовательно, объемы памяти будут больше. Потребляемая мощность ниже, а скорость доступа  выше. Поскольку углеродные волокна  имеют высокую прочность, а операции записи и чтения не нарушают структуры  углеродных трубок, то срок их службы будет  практически неограничен.

   В отличие от Flash-памяти число циклов записи может быть бесконечным. Радиационная и электромагнитная стойкость NRAM тоже много выше, чем у традиционных кремниевых Flash. (Вероятно, именно эти  качества побудили компанию BAE Systems принять  участие в разработке технологии.) К сожалению, пока все это не удается  воплотить в серийный продукт, имеющий  конкурентную стоимость.[3]

   Нанотехнологии  – это абсолютно новое явление  в электронике, и накопленного опыта  пока еще не достаточно, чтобы уверенно прогнозировать их применимость в тех  или иных областях техники. Однако заложенный в них потенциал очень велик, и по мере развития и совершенствования  нанотехнологии смогут потеснить сегодняшних  фаворитов.

   Хотя  оба типа описанных технологий энергонезависимой  памяти (память OVONYX и память на нанопереключателях) довольно интересны и обладают привлекательными качествами, но все же самые большие  ожидания связаны с другими исследованиями. В явные лидеры вышли две принципиально  разные технологии, позволяющие уже  сегодня получать универсальную  память с качествами идеальной памяти (энергонезависимость, произвольный доступ, высокая скорость работы). Это ферроэлектрическая (FRAM) и магниторезистивная (MRAM) технологии. [2] 

2. КЛАССИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ

   Не  застыли на месте исследования и  в традиционных технологиях энергонезависимой  памяти. Flash-память преодолевает все  новые рубежи плотности и при  этом становится все менее энергоемкой. Пока ни одна из серийных ИС памяти, сделанных  по другим технологиям, не может приблизиться к Flash по этим характеристикам. Лидирующая четверка мировых производителей данного  типа памяти – INTEL, AMD, TOSHIBA и SAMSUNG – все  время совершенствует техпроцессы, переходя ко все более маленьким  технологическим размерам. Преодолен  рубеж в 90 нм, и начинается подготовка к переходу на 65-нм технологию.