Память для портативных устройств

Введение
Рынок портативных устройств развивается довольно быстрыми темпами. По мнению большинства аналитиков, наиболее существенный его рост ожидается в начале следующего тысячелетия. Наряду с карманными компьютерами и игровыми машинками, смарт-картами и цифровыми камерами начнут широко использоваться портативные коммуникационные терминалы и разнообразные мультимедийные товары. Неотъемлемым элементом всех этих устройств является память для хранения программ и данных.

Требования, предъявляемые к памяти для портативных устройств, общеизвестны, это — низкое энергопотребление, высокая скорость работы, большая емкость и энергонезависимость (т. е. способность сохранять информацию в случае отключения источника питания). Поскольку до недавнего времени обеспечить должный уровень всех этих параметров не представлялось возможным, то приходилось искать компромиссное решение.

Для получения высокой скорости обработки данных сейчас используется статическая память SRAM (Static RAM) с низким энергопотреблением, что, однако, ограничивает ее быстродействие. Для обеспечения энергонезависимости в этом случае приходится дополнительно применять либо источник питания (гальванический элемент или аккумулятор), либо электрически программируемое постоянное запоминающее устройство EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM).

Если ограничения на скорость работы не слишком жесткие, наиболее эффективным решением обычно считается использование флэш-памяти (flash memory), запоминающего устройства, созданного в 1988 г. Как и EEPROM, PROM и ROM, флэш-память — одна из разновидностей энергонезависимой памяти (nonvolatile memory). В основе работы запоминающей ячейки этого типа памяти лежит физический эффект Фаули — Нордхайма (Fowler — Nordheim), связанный с лавинной инжекцией зарядов в полевых транзисторах. Как и у EEPROM, содержимое флэш-памяти программируется электрическим способом, однако основным ее преимуществом, по сравнению с той же EEPROM, является высокая скорость доступа и довольно быстрое стирание информации.

Элементы флэш-памяти выпускают практически все крупные фирмы — производители микросхем памяти. Кроме того, такие известные разработчики микропроцессоров, как AMD и Intel, уделяют флэш-памяти в своих научных и производственных программах самое пристальное внимание.

Рынок флэш-памяти ежегодно оценивается примерно в 2,8 млрд. долл. Стоимость данного типа памяти примерно за десять лет снизилась с 640 до 5 долл. за мегабайт. Благодаря невысокой цене и приемлемым параметрам флэш-память широко используется в персональных компьютерах (для хранения BIOS), сотовых телефонах, сетевом оборудовании, принтерах, факс-машинах и т. д.

Несмотря на неисчерпанные возможности по совершенствованию флэш-памяти, многие аналитики склонны считать, что на рынке портативных устройств ее вскоре сможет потеснить новый тип памяти — ферроэлектрический (FRAM, Ferroelectric RAM).

Ферроэлектрическая память
Первые элементы FRAM были созданы корпорацией Ramtron еще в 1984 г. Лицензию у нее приобрели крупнейшие производители памяти — Hitachi, Toshiba, Fujitsu, Rohm и Samsung. Подход к созданию данного типа памяти в корне отличается от традиционного, с использованием обычных кремниевых технологий. Дело в том, что в элементах FRAM применяется сегнетоэлектрическая пленка на основе сплавов оксидов металлов (титана, циркония, свинца и т. п.). Отсюда и название “ферро”. Типичными примерами сегнетоэлектрических пленок являются PZT, BST, Y1 и SBT.

Стоит напомнить, что сегнетоэлектрики благодаря своей доменной структуре в определенном диапазоне температур обладают способностью к самопроизвольной поляризации, сильно зависящей от внешних воздействий. Принцип работы запоминающей ячейки FRAM основан на том, что внешнее электрическое поле перемещает атом сегнетоэлектрического кристалла в одно из двух стабильных положений. Поляризация сегнетоэлектрика характеризуется петлей гистерезиса, следовательно, существует два порога напряжения, при достижении которых можно изменить направление поляризации на противоположное. Обычно проводят аналогию с электрическим конденсатором, имеющим два устойчивых состояния (заряжен и разряжен, 0 и 1). В каком-то смысле ферроэлектрические элементы можно сравнить с ферритовыми сердечниками, поскольку ферромагнитные материалы также характеризуются гистерезисом, только магнитным. Как известно, ферритовые сердечники использовались в компьютерах 50—60-х годов.

Как и DRAM, кристалл FRAM имеет несложную структуру и высокий коэффициент плотности размещения элементов. Каждая ячейка памяти первых элементов FRAM включала два транзистора и два конденсатора (2T/2C). Современные элементы строятся уже на основе структуры 1T/1C. Некоторые эксперты считают такую структуру нестабильной в работе и в качестве промежуточного решения предлагают ввести в нее второй конденсатор — 1Т/2С.

FRAM позволяет обрабатывать данные с высокой скоростью, сравнимой с аналогичным показателем для SRAM. Кроме того, как и микросхемы EEPROM и флэш-памяти, FRAM имеет высокую степень энергонезависимости. Например, микросхема FRAM может работать от одного уровня напряжения питания без использования дополнительного уровня для записи или стирания информации. Благодаря этому общее потребление энергии ниже, чем у других типов запоминающих устройств. Энергонезависимые устройства памяти, такие, как флэш-память и EEPROM, требуют больше энергии для работы и, что немаловажно, выходят из строя при значительно меньшем количестве перезаписей, чем допускает FRAM (по прогнозам, эта цифра возрастет до 10 млрд).

При создании FRAM уже сложились устойчивые альянсы, состоящие обычно из научно-исследовательских центров, занимающихся технологией сегнетоэлектрических пленок, и крупных корпораций, имеющих полупроводниковое производство. Так, корпорация Ramtron активно сотрудничает с японским концерном Asahi Chemical Industry. Компания Texas Instruments совместно с ATMI (Advanced Technology Material Inc.) создает ячейки FRAM со структурой 1Т/1С, работающей от напряжения питания менее 2 В. Главный соперник Ramtron — компания Symetrix, изготовитель сегнетоэлектрической пленки Y1, и Matsushita Electronics основные усилия сосредоточили на создании FRAM для смарт-карт. Один из заводов Matsushita уже выпускает кристаллы ферроэлектрической памяти с соблюдением проектных норм 0,6 мкм из 6-дюймовых пластин. Идет подготовка к запуску линий, для которых проектные нормы для 8-дюймовых пластин будут ужесточены сначала до 0,35 мкм, а к 2000 г. — до 0,25 мкм.

Готовы к производству ферроэлектрической памяти компании Siemens AG, Hyundai, Motorola, NEC и др. В начале ноября корпорация Samsung Electronics (www.samsungelectronics.com) объявила о поставке пробных партий 64 Кб микросхем FRAM. Эти устройства имеют усовершенствованную структуру 1Т/1К. Для повышения интеграции и быстродействия при ее создании использовался специальный процесс двухслойной металлизации. В результате, по сообщению пресс-службы Samsung, микросхема компании работает в два раза быстрее, чем обычные FRAM.

По прогнозам специалистов, устройства FRAM с объемом памяти от 1 Мбит и выше попадут на рынок уже в 1999 г. и постепенно начнут заменять кристаллы SRAM и флэш-памяти в соответствующих товарах. Ожидается, что в начале следующего тысячелетия годовая емкость рынка микросхем FRAM составит около 3 млрд. долл., а ежегодный рост потребности рынка в таких микросхемах может достигнуть 150%.

В заключение хотелось бы отметить, что в XXI веке ферроэлектрической памяти придется конкурировать уже с новым поколением энергонезависимой магнитной памяти — MRAM (Magnetic RAM). Пробные элементы таких запоминающих устройств недавно созданы в исследовательском центре IMEC (Бельгия), а также корпорацией Toshiba (www.toshiba.com). Основой запоминающей ячейки в них является многослойный магнитный вентиль, выполненный в полупроводниковой структуре кристалла. Согласно имеющейся информации, цикл записи — чтения для MRAM не превышает 6 нс. Над новым типом магнитной памяти работают также корпорации Motorola, IBM, Siemens AG и Philips Electronics.

Сравнительные характеристики различных типов памяти

Показатель FRAM Flash EEPROM DRAM SRAM

Скорость записи — программирования, нс 100 100 10 000 50 20

Напряжение, В 3 10-12 12-15 2 3

Скорость чтения, нс 100 50 50 50 20

Количество циклов записи 1013 105 106 Не ограничено Не ограничено

Коэффициент плотности элементов 5 1 2 5 10

Затраты энергии при записи — программировании (32 бит), нДж 1 2000 1000 Нет Нет

В продолжение темы:

2002-09-17 Toshiba и NEC совместными усилиями создадут память MRAM

← ноябрь 1998 1 2 3 4 6 7 8 9 10 январь 1999 →