Подсистемы хранения данных
Что вслед за флэш?
Николай Печерица
«Экспресс-Электроника», #6/2005
17 лет — таков «стаж работы» энергонезависимой флэш-памяти на рынке высоких технологий. За этот срок данная технология стала практически неотъемлемым компонентом самых разных электрических устройств. Но даже несмотря на растущую емкость рынка флэш-памяти, взоры специалистов все чаще обращаются к ее потенциальным преемникам. Собственно о них, а также о перспективах рынка энергонезависимой памяти и пойдет наш рассказ.
В целом, рынок энергонезависимой памяти сегодня переживает небывалый подъем. Благодаря расширению возможностей мобильных телефонов, карманных компьютеров и коммуникаторов, цифровых фотоаппаратов и видеокамер, да и вообще самых разных электронных устройств, способных накапливать и переносить данные, спрос на компактные модули хранения информации сильно вырос. Так сложилось, что в этой сфере тон задают решения на базе флэш-памяти — технологии легкой, компактной, надежной и сравнительно недорогой в производстве.
Флэш-память создается на однотранзисторных элементах (с «плавающим» затвором), что обеспечивает плотность хранения информации даже несколько выше, чем в динамической оперативной памяти, использующей, как известно, минимум два транзистора и конденсаторный элемент. В настоящее время на рынке сосуществует немало различных технологий построения базовых элементов флэш-памяти, разработанных основными ее производителями (Intel, Toshiba, AMD, Sharp, Samsung и другими). Технологии отличаются количеством слоев, методами стирания и записи данных, а также организацией структуры, указанными в их названии.
Самыми распространенными считаются два типа флэш-памяти — NOR и NAND. Запоминающие транзисторы в обоих типах подключены к разрядным шинам, соответственно, параллельно и последовательно. Первый тип, NOR, имеет относительно большие размеры ячеек и быстрый произвольный доступ (порядка 70 нс), позволяющие выполнять программы непосредственно из памяти. У второго, NAND, меньшие размеры ячеек и быстрый последовательный доступ (обеспечивает скорость передачи до 16 Мбайт/с), что гораздо удобнее для построения устройств блочного типа, например твердотельных дисков.
Впрочем, жизнь и тут расставила все по своим местам.
Тенденция современного рынка состоит в том, что спрос на NOR-память медленно, но верно падает. И, как показывают последние данные iSuppli, доход от продаж NAND флэш-памяти в I квартале текущего года практически равен доходу от продаж чипов NOR. Итак, немного статистики. В I квартале 2005 года прибыль от реализации NAND флэш-памяти увеличилась на 16% по сравнению с IV кварталом 2004-го года — до $2,05 млрд. В свою очередь, продажи NOR-памяти сократились на 11% — до $2,02 млрд. До сих пор объемы продаж NOR-памяти превышали объемы продаж NAND, так как последняя появилась на рынке позже. К примеру, в 2000 году на долю NOR-памяти пришелся 91% от всех продаж. Но с 2002 продажи NAND-микросхем начали стремительно расти, благодаря популярности таких продуктов, как MP3-проигрыватели, цифровые камеры, карты памяти и накопители с интерфейсом USB. Хотя NOR флэш-памяти по-прежнему отдается предпочтение в сотовых телефонах, но их продажи увеличиваются не столь быстро. Что же дальше? По прогнозам аналитиков агентства iSuppli, в 2006 году на долю NAND будет приходиться 59%, на долю NOR — 41% продаж. В 2009 году доля NAND вырастет до 65%, а доля NOR снизится до 35%. Если абстрагироваться от технологических тонкостей и посмотреть на рынок энергонезависимой памяти в целом, выяснится, что картина не столь радужна, как может показаться на первый взгляд. После огромного (80%) роста объемов продаж в 2003 году, в 2004 году рынок флэш-памяти увеличился «всего» на 31,4%, — в индустрии начался кризис перепроизводства. Впрочем, даже в этом малоприятном событии есть положительные стороны. Как известно, любой кризис очень четко определяет лидеров и помогает лучше рассмотреть тенденции рынка. О тенденциях мы уже рассказали, поговорим о распределении мест среди игроков. Сегодня на рынке флэш-памяти лидируют Samsung и Toshiba, которые являются крупнейшими игроками в сегменте NAND флэш-памяти, контролируя 58,5 и 24,2% соответственно. Однако Hynix, Infineon, Micron и STMicroelectronics, сравнительно недавно пришедшие в NAND-сегмент, продемонстрировали весьма хорошие темпы роста.
Кстати, по этому показателю впереди всех Infineon. На рынке NOR уже третий квартал первую позицию удерживает Intel, но Spansion (совместное предприятие AMD и Fujitsu) не дает заметно оторваться своему конкуренту и буквально дышит ему в затылок. И все же самое интересное в ситуации вокруг кризиса перепроизводства то, что он четко очертил стремление разработчиков найти альтернативные решения в рассматриваемой области. Конечно, взоры индустрии в первую очередь обращены на так называемые наследуемые технологии. Они, по сути, являются усовершенствованием существующих разработок и обычно не требуют значительных видоизменений в технологическом процессе производства готовой продукции. В то же время растет интерес к использованию нанотехнологий — соответствующие разработки очень популярны в различных сегментах IT-рынка, не исключение и рассматриваемая нами область. Одна из подобных разработок принадлежит компании Motorola, речь идет о первой в отрасли микросхеме флэш-памяти, основанной на использовании кремниевых нанокристаллов — образований, напоминающих сферы диаметром порядка 50 ангстрем, размещенных между двумя оксидными слоями и способных сохранять определенный заряд, за счет чего и ведется запись информации. Подобное решение рассматривается многими экспертами как наиболее вероятная замена нынешней технологии, которая, по их словам, при уменьшении уровня детализации становится неэффективной (в частности, с точки зрения энергопотребления). Одна из главных проблем, которую удалось преодолеть специалистам Motorola, — получение монодисперсных нанокристаллов оптимального размера. Прототип массива нанокристаллов изготовлен на 200-мм кремниевых заготовках с применением 90-нм процесса (одно из достоинств данной технологии заключается в возможности использования существующего оборудования) и имеет емкость 4 Мбит. Этот наномассив показал, что скорость функционирования флэш-памяти может быть заметно увеличена, поскольку тунеллирование зарядов в нанокристаллы происходит значительно быстрей, чем в стандартные ячейки флэш-памяти, а уменьшение габаритов всего массива хранения информации может самым положительным образом сказаться на скорости работы управляющей микросхемами логики. Ученые из Института технологий компании Samsung (Samsung Advanced Institute of Technology) совместно со специалистами из Национального университета Чонбук разработали базовый метод для создания энергонезависимой памяти из нанотрубок.
На их основе ученые создали транзистор, поверх которого расположен слой нитрида кремния, помещенный между двумя слоями оксида кремния. Такая многослойная структура удерживает электрический заряд, а транзистор нужен в качестве стока/истока. При вертикальном размещении, как отмечают специалисты, благодаря таким «носителям» информации можно создавать память с плотностью 200 Гбит/дюйм, что примерно в 200 раз больше плотности чипов, используемых сегодня. Такая память способна хранить данные в течение 10–15 лет. Также на основе нанотехнологии создана и энергонезависимая память под названием NRAM. Идея инженеров компании Nantero — ее разработчиков, состоит в использовании углеродных нанотрубок с толщиной стенок в один атомный слой и диаметром порядка 20 нм, которые на двух кремниевых подложках заключены в массив таким образом, что образуют группу взаимно пересекающихся под прямым углом элементов. В исходном состоянии, соответствующем логическому нулю, нанотрубки не соприкасаются между собой, и расстояние между ними составляет несколько нанометров. Однако если приложить к ним разность потенциалов, они соприкоснутся и будут находиться в таком положении до тех пор, пока не применить противоположное напряжение. Из-за того, что в двух противоположных состояниях эти элементы имеют различное электрическое сопротивление, может быть создан интерпретатор двоичной системы исчисления. Причем, по словам специалистов Nantero, с целью достижения избыточности и предотвращения утери данных в одном бите участвует значительное количество таких пар. О перспективах технологии Nantero можно судить по таким данным: плотность записи информации в устройствах NRAM может достигать 5 млрд бит на квадратный сантиметр (в несколько десятков раз больше, чем в нынешних высокоемких микросхемах памяти), а частота обмена данными может составлять 2 ГГц.
Впрочем, как и любая новая технология, NRAM не лишена ряда сложностей. Главная проблема в реализации новой методологии заключается в необходимости точного и равномерного размещения нанотрубок на кремниевых подложках.
К сожалению, техника расположения нанотрубок путем разложения их вычленения из крупных пучков не применима. Компания Nantero предлагает располагать на подложках кремния тонкий слой нанотрубок в произвольном направлении, затем методом литографии удалять те из них, что расположены «не по шаблону». И хотя данный метод практически реализуем, его следует признать трудновыполнимым. Так, будет необходимо использование электронного микроскопа, который, считывая информацию о вновь нанесенном слое нанотрубок, создавал бы шаблон вытравливаемых элементов. Но каждый раз шаблон придется делать заново, иначе на подложках помимо рабочих элементов окажется множество «мусора», образованного остатками удаленных нанотрубок.
Однако достижения разработчиков впечатляют: созданный ими массив позволяет хранить до 10 Гбайт информации. При этом утверждается, что их методика может применяться и для получения массивов большего размера, поскольку определяющим фактором здесь являются возможности литографического оборудования. Кроме того, специалисты особо подчеркивают, что методика в значительной мере совместима с нынешними технологиями полупроводникового производства и с небольшими затратами может быть внедрена на существующих заводах. Особенно перспективной данная разработка выглядит в свете роста популярности импринт-литографии и EUV-литографии, а также методик безмасочного удаления слоев фотополимера.
Впрочем, многие разработчики не хотят мириться с недостатками флэш-памяти, считая, что сам механизм действия этой технологии (состоящий в перезаписи данных при считывании) при любых видоизменениях базовых компонентов будет сдерживать скоростной потенциал устройств на ее базе. Куда более рациональным методом развития энергонезависимых технологий памяти представляется исследование возможностей ферроэлектрического принципа хранения информации (Ferroelectric RAM — FRAM). К примеру, памяти FRAM изначально приписывали простоту, скорость и надежность в эксплуатации, свойственную DRAM, а также энергонезависимость и время хранения информации, присущее флэш-памяти.
Кроме того, к достоинствам FRAM относят стойкость к радиации и другим проникающим излучениям. Эти свойства могут быть широко востребованы в специальных приборах, скажем, в исследовательских, направленных на нужды космоса, или дозиметрических — для работы в жестких условиях высокой радиоактивности или загрязненной окружающей среды.
Напомним, FRAM для реализации механизма хранения данных использует сегнетоэлектрический эффект — возможность материала сохранять электрическую поляризацию в отсутствие внешнего электрического поля. Ячейка памяти FRAM создается размещением сверхтонкой пленки сегнетоэлектрического материала в кристаллическом виде между двумя плоскими металлическими электродами, образующими конденсатор. Конструктивно последний очень похож на конденсатор, используемый при построении ячейки DRAM, однако вместо того, чтобы хранить данные как заряд в конденсаторе, подобно DRAM, сегнетоэлектрическая ячейка памяти хранит данные внутри кристаллической структуры. Сегнетоэлектрические кристаллы сохраняют два стабильных состояния — «1» и «0». Благодаря этому реализация базовой ячейки проста, как и схемы усилителя считывания и записи. Поскольку в ячейке FRAM отсутствует эффект утечки заряда, приводящий к потере информации, нет необходимости в периодической регенерации данных, как в DRAM. Более того, при отключении напряжения питания данные сохраняются.
Последние успехи производителей FRAM еще раз подтверждают широкие перспективы этой технологии. Очень показательны достижения компании Hynix Semiconductor. Так, разработчик представил опытные образцы ферроэлектрических чипов объемами 4 и 8 Мбит, и заявил, что в скором времени сможет увеличить их емкость в сотни раз. Первая особенность чипов — использование структуры 1T1C (один транзистор, один конденсатор) вместо стандартно принятой многими другими производителями более сложной схемы 2T2C (два транзистора, два конденсатора). Упрощенная схема позволит в будущем уменьшить рабочее напряжение до 1 В и ниже, снимая ограничение стандартной FRAM, а также увеличить ее скорость.
Вторая особенность Hynix FRAM — применение нестандартного ферроэлектрического материала BLT (Bismuth Lanthanum Titanate, Bi3,25La0,75Ti3O12), что, по заявлению Hynix Semiconductor, позволило значительно увеличить устойчивость чипов к внешним электромагнитным шумам и повысить их общую надежность. По мнению специалистов компании, чипы разработаны с таким расчетом, что выпуск более емких, 64-Мбитных изделий не потребует дополнительных затрат на разработки – очевидно, они могут быть созданы путем простого комбинирования существующих 4- и 8-Мбитных микросхем. Что же касается остальных характеристик чипов от Hynix, при производстве по старому технологическому процессу 0,25 мк (по крайней мере, это касается опытных образцов) они работают на напряжении 3 В, характеризуются временем доступа 60–70 нс и способны обеспечить до 100 млрд циклов чтения/записи.
Усовершенствовав технологию разработки FRAM-чипов, компания Matsushita Electric не только создала более компактные и емкие чипы, но и выполнила их по технологии «система-на-чипе» (System-on-a-Chip — SoC), пользующейся всевозрастающей популярностью, поскольку позволяет на одном кристалле чипа сформировать сложную и функционально законченную структуру. Чипы FRAM Matsushita производит по 0,18-мк техпроцессу — самому миниатюрному на сегодня, который применяется для создания ячейки ферроэлектрической памяти (Hynix, например, использует для этих целей 0,25-мк технологию). Благодаря переходу на 0,18-мк литографию Matsushita смогла снизить энергопотребление своей памяти и в пять раз увеличить скорость записи данных в ячейки. Рабочее напряжение FRAM от Matsushita равно 1,1 В. Материал, предназначенный для изготовления удерживающих заряд конденсаторов, не содержит свинца (особая гордость компании) и называется стронций-висмут-тантал (SrBi2Ta2O).
Компания Infineon совместно с Toshiba исправила другой недостаток технологии FRAM, предложив свой подход к созданию памяти — трехмерную архитектуру, в которой конденсаторы расположены вертикально.
Благодаря этому открывается новый путь к устранению одного из основных недочетов FRAM — большого размера ячейки.
Еще один серьезный игрок на рынке FRAM, компания Ramtron International Corporation, недавно сообщила, что Promise Technology Inc. будет использовать ее память в RAID-контроллерах. Речь идет о 3-вольтовых 256-кбит чипах FM18L08 — их предполагается ввести в системы RAID для хранения информации о сделанных транзакциях и т. п. Как отмечается в пресс-релизе, основной причиной выбора Promise именно этой памяти стала реализованная в чипах технология NoDelay (без задержек). Чипы, которые Promise намерена интегрировать в свои продукты, имеют параллельный интерфейс, время хранения данных без источника питания — до 10 лет. Они характеризуются и неограниченным количеством циклов перезаписи, временя доступа — 70 нс, а рабочее напряжение на уровне 3,0–3,65 В.
Подводя итог, отметим, что FeRAM, являясь в технологическом плане потомком современных типов памяти, вобрала наилучшие их черты — энергонезависимость и высокую скорость работы. Соответственно, ее можно считать реальным претендентом на роль базовой технологии для создания постоянных запоминающих устройств нового поколения. И хотя большая часть проблем, присущих данной памяти уже преодолена (например, проблема старения материала), некоторые вопросы использования данной технологии все-таки остаются открытыми. В общем, проблему предпочтения ферроэлектриками фиксированной величины электрического сигнала и релаксацию, а также отсутствие экономичного способа организации объемных массивов ячеек FRAM придется еще решить. Впрочем, ученые уверены, что проблема увеличения плотности массива FRAM-памяти — временная, и аналитики компании Matsushita, даже при имеющихся научных результатах, прогнозируют уже в текущем году рост размеров рынка соответствующей памяти до $690 млн.
Дугой тип памяти, перспективность которого тоже оценивают весьма высоко, как и FRAM, энергонезависим и имеет сравнительно высокие скоростные показатели.
Это магниторезистивная память (Magnetic RAM — MRAM). В качестве элементарной ячейки в устройствах MRAM применяется тонкая магнитная пленка на кремниевой подложке. MRAM — память статическая, не требует периодической перезаписи, при выключении питания записанная информация не теряется.
Сегодня многие специалисты называют MRAM технологией памяти следующего поколения, так как скоростные показатели существующих прототипов очень высоки — по данным IBM, время записи в MRAM не превышает 2,3 нс, что более чем в 1000 раз быстрее, нежели время записи в флэш-память и в 20 раз быстрее скорости обращения к FRAM. Время чтения произвольного бита не превышает 3 нс, — 20 раз меньше, чем для DRAM, а потребляемый ток составляет около 2 мА, то есть меньше тока потребления DRAM в 100 раз. Кроме того, MRAM, в отличие от SRAM, устойчива к внешним электромагнитным воздействиям.
У MRAM есть и другое достоинство — невысокая стоимость чипов на ее основе. В отличие от флэш-памяти, которая производится по специализированному процессу КМОП, микросхемы MRAM можно выпускать по стандартному процессу. В результате изготовление больших объемов таких микросхем обходится дешевле.
О достижениях в разработке нового типа оперативной памяти, использующей магнитные заряды, сообщила недавно компания Infineon Technologies, совместно с IBM продемонстрировавшая прототип микросхемы памяти MRAM емкостью 16 Мбит.
Успешную работу в области создания MRAM-запоминающих устройств ведет и компания NEC. В новой микросхеме MRAM ее разработки предусмотрены узловые (cross-point — CP) ячейки памяти, а емкость составляет 512 кбит. Чип изготовлен по 0,25-мк КМОП-технологии и 0,6-мк технологии MRAM. Структура ячейки памяти включает числовую шину (word line), разрядную шину (bit line) и магнитный туннельный переход (MTJ). Благодаря особой конструкции массива ячеек памяти инженерам NEC удалось добиться заметного снижения паразитных шумов, что привело к улучшению соотношения сигнал/шум во время операции чтения данных и одновременно позволило уменьшить размеры чипа на 20%.
Коммерчески готовые чипы MRAM есть и у фирмы Honeywell International. В частности, согласно опубликованной спецификации, 1-Мбит чип MRAM обладает архитектурой 65K word x 16 bit, выпускается с соблюдением норм 0,15-мк технологического процесса по технологии SOI. Поддерживается напряжение питания 3,3 В и 1,8 В.
На ту же роль, что и MRAM, претендует новый тип энергонезависимой памяти, являющийся результатом труда компании Royal Philips Electronics. Ячейки этой памяти выполнены из вещества, способного в электрическом поле изменять фазовое состояние и сохранять его при отключении тока. Кстати, подобные материалы широко применяются в основе дисков DVD-RW: в режиме записи лазер нагревает рабочий слой диска, переводя его материал из кристаллического состояния в аморфное. Процесс считывания, в свою очередь, основан на разнице в отражающей способности вещества в разных состояниях, воспринимаемой датчиком дисковода. По аналогичному принципу действует и память Philips, в которой используется смесь иридия с сурьмой. Данное вещество меняет фазовое состояние в электрическом поле напряженностью всего 14 В/мкм, что существенно меньше в сравнении с напряжениями, необходимыми для работы современных КМОП-микросхем. Кроме того, фазовый переход в памяти нового типа занимает в 100–200 раз меньше времени, чем требуется на программирование ячейки флэш-памяти.
В предложенной компанией технологии участок материала, выполняющий роль ячейки памяти, окружен слоем диоксида кремния, который, во-первых, обладает малой теплопроводностью, во-вторых, позволяет предотвратить химические реакции на поверхностях соприкосновения и предоставляет таким образом дополнительную свободу в выборе вещества электродов. Изменение фазового состояния происходит очень быстро — так, в прототипных устройствах, изготовленных Philips, для этого требовалось примерно 30 нс. В компании полагают, что благодаря подобным функциональным характеристикам разработка вполне может рассматриваться в качестве альтернативы нынешней DRAM, а в дальнейшем — претендовать на роль так называемой унифицированной памяти.
Следующая технология представлена компаниями STMicroelectronics и Ovonyx. Эта разработка также использует нестандартный подход для кодирования записываемой информации — в виде разных фаз в микроскопических областях полимера халькогенида (chalcogenide). Разработчики утверждают о возможности производства таких чипов по стандартному КМОП-процессу с помощью технологии uTrench.
Новые типы памяти, получившие название Chalcogenide RAM (CRAM) и Phase Change Memory (PRAM), основаны на принципе, при котором в одной фазе вещество носителя является непроводящим аморфным (стеклоподобным) материалом, во второй — кристаллическим проводником. Запоминающие ячейки CRAM способны переходить из одной фазы в другую под воздействием нагрева и электрических полей. В отличие от динамической оперативной или флэш-памяти они устойчивы к воздействию ионизирующего излучения. Разумеется, вряд ли CRAM способна составить серьезную конкуренцию традиционным видам памяти по быстродействию и энергопотреблению (все-таки для перехода из одной фазы в другую приходится задействовать нагревательный элемент, потребляющий большой ток).
По информации компаний, размер ячейки CRAM составляет 0,32 кв. мк при выпуске по 0,18-мк нормам. Потребляемый ячейкой ток равен 600 мкА. Одна ячейка способна выдержать 10–11 млрд циклов перезаписи и обеспечивает хранение данных до 10 лет при температуре не выше 110 0С.
Еще один тип принципиально новой технологии энергонезависимой памяти создан инженерами японской корпорации NTT Group. Прототип носителя информации основан на базе пластического материала и размерами не превышает почтовую марку. Названный Info-MICA (Information-Multilayered Imprinted CArd), носитель состоит из 100 слоев пластика и обладает емкостью 1 Гбайт. В носителе используется технология тонкопленочной голографии. Запись информации происходит следующим образом: сначала создается двухмерный образ, транслирующийся в голограмму по технологии CGH (Computer Generated Hologram). Для считывания луч лазера фокусируется на край одного из записываемых слоев, играющих роль оптических волноводов.Свет распространяется вдоль оси, проходящей параллельно плоскости слоя, а на выходе формируется изображение, соответствующее записанной ранее информации. Применив алгоритм, обратный кодированию, можно в любой момент получить начальные данные.
По сравнению с полупроводниковой памятью, Info-MICA обладает рядом преимуществ: высокой плотностью записи, малым энергопотреблением, малой стоимостью носителя, защищенностью от несанкционированного копирования и экологической безопасностью. Но есть и недостатки, в первую очередь — невозможность перезаписи содержимого. Разработчики полагают, что Info-MICA станет альтернативой полупроводниковой постоянной памяти, или заменит бумажные носители, или найдет применение для распространения мультимедийного контента (музыки, видео и компьютерных игр). Как ожидается, NTT представит первый коммерческий носитель Info-MICA в этом году, его емкость составит 1 Гбайт.
