2004 г.

На грани прорыва

Эрнст Долгий,
«Экспресс-Электроника» , # 5/2004

Стремительность, с которой распространяется флэш-память, поражает, и сегодня трудно представить электронное устройство, не использующее для тех или иных целей энергонезависимую память. А потому не случайно рынку флэш-памяти пророчат даже больший оборот, чем рынку DRAM. С другой стороны, есть и проблемы. О путях их решения и пойдет разговор.

Особенность рынка информационных технологий такова, что при прочих общепринятых законах маркетинга немаловажную роль играет и привязка к сфере технологий. Другими словами, пока популярная (массовая) технология уверенно развивается, на нее делают ставки и инвесторы, и производители, а значит - и потребители. Ну а как только на ее развитии начинают сказываться технологические проблемы, участники рынка понемногу переводят линейки своих продуктов на конкурентную платформу. Примером может служить бурный рост популярности устройств хранения информации на базе EEPROM-технологии (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, или попросту flash), который начался как раз тогда, когда специалисты заговорили о конце эры накопителей на базе магнитной технологии. Впрочем, пессимистические прогнозы не реализовались и абсолютно все участники рынка накопителей на жестких дисках буквально в течение одного года представили разработки, позволяющие преодолеть влияние супермагнитного предела. (Суть его заключается в том, что магнитные домены, составляющие плоскость магнитных дисков, из-за чрезмерного уменьшения оказываются не в состоянии стабильно удерживать направление магнитного момента в продолжение длительного промежутка времени и, как следствие, записанную информацию.) В результате соизмеримые с жесткими дисками флэш-хранилища широкого распространения не получили, а сама технология энергонезависимой памяти на базе EEPROM стала решением для малоемких и компактных систем хранения информации, в частности, сменных флэш-карт. Когда выяснилось, что по ряду производственных факторов эта технология вряд ли сможет быть усовершенствована, на рынке появились накопители на магнитных жестких дисках в формате флэш-карт - IBM Microdrive и новое решение компании Toshiba с поперечным размером 0,85 дюйма, аналогичные флэш-картам большого объема. Таким образом, мы можем наблюдать пример неочевидной конкуренции магнитной технологии и EEPROM-решений, которые лихорадит, как только перспективность одной из них оказывается под вопросом.

Прогнозы специалистов о закате флэш-технологии датируются 2006-2007 годом (данные D-Day). Что касается нынешнего состояния рынка флэш-памяти, по данным Semiko Research, объем рынка всевозможных решений на базе энергонезависимой EEPROM-памяти составил порядка $8 млрд (2,198 млрд микросхем) и по прогнозам Nikkei Market Access достигнет $14 млрд (2,53 млрд штук - на 15,1% больше, чем в предыдущем) уже в этом году. Ну а для того, чтобы понять, в чем же состоит проблема флэш-технологии, следует привести небольшой технологический экскурс.

Корень проблемы

Сегодня самым распространенным типом ячеек флэш-памяти является Stacked Gate Cell (ячейки с многослойным затвором), который имеет наиболее простую реализацию. Кроме того, именно на его базе созданы все известные ныне разновидности ячеек флэш-памяти. А потому именно его мы возьмем в качестве примера для объяснения трудностей технологии. Основа Stacked Gate Cell - видоизмененный полевой транзистор с так называемым дополнительным плавающим затвором. Если проводить аналогию с DRAM, этот затвор играет роль конденсатора, другими словами, хранит запрограммированное значение. Если на плавающий затвор воздействовать путем организации двух квантовых процессов, которые создают два разных по значению заряда, то с учетом полученной суперпозиции зарядов формируется поле основного (управляющего) транзистора. Для изоляции плавающего затвора от остальных компонентов транзистора (стока, истока и затвора) служит тончайший слой (порядка 10 нм при 10-мк техпроцессе) окиси кремния. Итак, чтобы сообщить полагающийся заряд базе (управляющий заряд), приходится прибегать к различным ухищрениям. Например, для удаления содержимого ячейки, в случае если сток и исток являются полупроводниками p-типа, необходимо создать в канале отрицательное поле, блокирующее процесс дрейфа электронов. Таким образом, между разнополярными истоком и управляющим затвором прикладывается напряжение, которое создает магнитное поле с высокой напряженностью (порядка 10 МВ/см) вдоль оксидной границы раздела дополнительного и управляющего затвора. Следовательно, в результате квантового эффекта Фаулера - Нордхейма (Fowler - Nordheim) заряд с плавающей базы перетекает к истоку. Электрический барьер поля исчез, транзистор проводит ток (соответствует "1") - ячейка пуста.

Для программирования ячейки напряжение прикладывается уже между стоком и управляющим затвором. Плавающий затвор в этом случае питается так называемыми горячими электронами (Channel Hot Electrons), которые генерируются в канале транзистора. Упомянутые электроны обладают высокой энергией, достаточной в том числе и для преодоления потенциального барьера разделяющей пленки окиси кремния. Однако эффективность процесса программирования в данной конфигурации не очень высока, поэтому приходится прикладывать высокое напряжение таким образом, что ток между истоком и стоком достигает 1 мА. Необходимо отметить: высокое напряжение, а также длительное протекание токов, несоизмеримо высоких по сравнению с размерами токоведущих частей транзистора, приводит к значительному снижению надежности и устойчивости работы памяти. Стоит ли говорить, что при снижении уровня детализации, являющегося главным гарантом планомерного развития флэш-технологии, эта проблема лишь усугубляется?

Помимо описанной сложности, в еще большую проблему выливается чрезмерное уменьшение толщины изоляционной пленки (двуокиси кремния), происходящее при снижении уровня детализации. По достижении толщины на уровне 80 Ангстрем (современный уровень 90 Ангстрем) начинается утечка заряда, и, как следствие, невосстановимая утеря записанной информации. Кроме того, при уровне детализации 45 нм (который, по мнению экспертов, будет достигнут уже в 2006-2007 году), напряжение необходимое для перемещения электронов на плавающий затвор, становится столь значительным, что начнет вызывать серьезные перекрестные наводки в процессе записи.

В результате специалисты называют предельным уровнем детализации производственную норму 65 нм либо 45 нм. Именно по достижении полупроводниковым оборудованием таких уровней детализации о EEPROM-технологии можно будет забыть, занявшись поиском новых энергонезависимых типов памяти, о которых мы поговорим немного позже, а пока перейдем к технологиям, которые смогли бы продлить жизнь флэш-ячейкам, по крайней мере, в ближайшем обозримом будущем.

На черный день

Для того чтобы преодолеть преграду на пути увеличения плотности записи без внесения принципиальных изменений в структуру ячейки микросхемы флэш-памяти и внедрения новых технологических процессов производства полупроводниковых чипов, компания M-Systems совместно с Toshiba разработала и предложила для широкого использования технологию x2. Суть ее заключается в том, что в стандартную многоуровневую (multilevel cell - MLC) NAND-ячейку флэш-памяти можно записать удвоенное количество информации. Необходимо отметить, что сама по себе MLC-ячейка, разработанная в свое время специалистами Intel, позволяет хранить два бита информации. Это достигается тем, что StrataFlash (коммерческое название MLC-технологии) оперирует четырьмя уровнями заряда, кодирующими два бита, которые физически и содержит ячейка. Уровень заряда определяет напряжение, которое необходимо приложить к управляющему затвору, чтобы открыть транзистор. На практике, в ячейки записывался аналоговый (многоуровневый) сигнал. В итоге тип флэш-памяти MLC NAND и без того весьма популярный благодаря меньшему размеру ячейки по сравнению с классической NOR, несомненно, станет еще более распространенным. Самое важное, что к имеющимся преимуществам MLC NAND добавится возможность одновременного исполнения программного кода и долговременного хранения данных, а также возможность хранения двух битов в одной MLC-ячейке. Кроме того, поскольку флэш-память на основе технологии х2 обрела некоторые черты RAM, ей будет свойственно несколько новых возможностей. В первую очередь, поддержка режима прямого доступа к памяти (DMA), а также возможность реализации встроенных алгоритмов коррекции ошибок.

Аналогичной технологией располагает и AMD, только для NOR-памяти. Сейчас компания начала поставки образцов чипов флэш-памяти емкостью 256 Мбит, созданных с применением технологии MirrorBit. Суть последней, как и в случае с х2, заключается в записи в одной ячейке памяти двух битов информации, позволяя, таким образом теоретически добиться вдвое большей плотности записи информации, нежели в чипах флэш-памяти, использовавшихся до сих пор.

Прорыв, пусть и небольшой, обещает использование нанотрубок. Например, очень перспективной видится разработка компании Motorola, недавно продемонстрировавшей первую в отрасли 4-мегабитовую микросхему флэш-памяти, основанную на использовании так называемых кремниевых нанокристаллов - образований, напоминающих сферы (диаметр порядка 50 Ангстрем), которые размещаются между двумя оксидными слоями и способны сохранять определенный заряд, за счет чего и осуществляется 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, решенных специалистами Motorola, - получение монодисперсных нанокристаллов оптимального размера. Тестовый массив нанокристаллов был изготовлен на 200-мм кремниевых заготовках с применением 90-нм техпроцесса (одно из достоинств технологии заключается в возможности применения существующего оборудования). Этот наномассив показал, что скорость функционирования работы флэш-памяти можно существенно увеличить, так как тунеллирование зарядов в нанокристаллы происходит значительно быстрей, чем в стандартные ячейки флэш-памяти, а уменьшение габаритов всего массива данных может положительно сказаться на скорости работы управляющей микросхемами логики.

Точка невозвращения

Однако многие эксперты все-таки не верят в перспективы флэш-памяти в сфере миниатюризации и увеличения скорости функционирования. Считают, что куда более рациональным методом развития энергонезависимых технологий памяти является ферроэлектрический принцип хранения информации (Ferroelectric RAM). Памяти FeRAM (FRAM), принцип функционирования которой базируется на свойствах ферроэлектриков, всегда приписывали простоту, скорость и надежность в эксплуатации, свойственную DRAM, а также энергонезависимость и время хранения, присущее флэш-памяти. К дополнительным достоинствам FeRAM необходимо также отнести стойкость к радиации и другим проникающим излучениям. Это может быть широко востребовано в специальных приборах, например, исследовательских, предназначенных для нужд космоса или дозиметрических - для работы в жестких условиях высокой радиоактивности либо загрязненной окружающей среды.

Напомним, для ферроэлектриков характерна достаточно большая электрическая проницаемость, а также спонтанная поляризация. Наличие последней говорит о том, что без наложения электрического поля материал уже имеет некую поляризацию, способную после наложения внешнего электрического поля менять свой знак. Поляризация материала при нулевом электрическом поле имеет два противоположных по знаку значения - они могут быть истолкованы как "0" или "1", для организации интерпретатора двоичной системы исчисления. Кроме того, ферроэлектрикам присущ гистерезис поляризации, в зависимости от электрического поля, то есть имеется некоторое запаздывание одной характеристики от другой.

Современные достижения производителей памяти FeRAM еще раз подтверждают большую перспективность этой технологии. Очень показательны достижения компании Hynix Semiconductor, которая недавно заявила о новых результатах в области освоения производства микросхем FeRAM. Компания представила опытные образцы ферроэлектрических чипов объемами 4 и 8 Мбит и сообщила, что вскоре сможет увеличить их емкость в сотни раз. Первая особенность новинок - использование структуры 1T1C (один транзистор, один конденсатор), вместо принятой многими другими производителями более сложной схемы 2T2C (два транзистора, два конденсатора). Применение упрощенной схемы позволит уменьшить рабочее напряжение ниже 1 В, снимая ограничение стандартной FeRAM, а также увеличить скорость ее функционирования. Вторая особенность Hynix FeRAM - использование нестандартного ферроэлектрического материала Bismuth Lanthanum Titanate, что, по заявлению производителя, позволило значительно увеличить устойчивость чипов к внешним электромагнитным шумам и повысить их общую надежность. По сообщению компании, они разработаны с таким расчетом, что выпуск более емких, 64-Мбитных чипов не потребует дополнительных затрат - очевидно, они могут быть созданы простым комбинированием существующих 4- и 8-мегабитных чипов. Что касается остальных характеристик микросхем производства Hynix, при производстве по техпроцессу 0,25 мк (по крайней мере, это относится к опытным образцам) они работают на напряжении 3 В, характеризуются временем доступа 60-70 нс и способны обеспечить до 100 млрд циклов чтения/записи.

Компания Ramtron International Corporation, разработчик FeRAM, недавно сообщила, что Promise Technology Inc. собирается применить эту память в RAID-контроллерах. Речь идет о 3-вольтовых 256-кбит чипах FM18L08, которые будут использоваться в RAID-системах для хранения информации о сделанных транзакциях и т. п. Как отмечается в пресс-релизе, основной причиной выбора Promise именно такой памяти стала реализованная в чипах технология NoDelay (без задержек). Компания Promise предполагает интегрировать в свои продукты чипы с параллельным интерфейсом и временем хранения данных без источника питания - до 10 лет. Также они характеризуются неограниченным числом циклов перезаписи, время доступа - 70 нс, рабочее напряжение - 3,0-3,65 В.

Подводя итоги, отметим, FeRAM, являясь в технологическом плане потомком современных типов памяти, вобрала наилучшие их черты - энергонезависимость и неплохую скорость работы. Таким образом, ее смело можно считать реальным претендентом на роль базовой технологии для создания запоминающих устройств нового поколения. И хотя большая часть проблем, присущих данной памяти, уже преодолена, некоторые вопросы использования этой технологии все же остаются открытыми. Например, предпочтение ферроэлектриков фиксированной величины электрического сигнала и релаксация, а также отсутствие экономичного способа организации объемных массивов ячеек FeRAM. Эти проблемы придется еще решить. Впрочем, ученые уверены, что проблема увеличения плотности массива памяти FeRAM - временная, и аналитики компании Matsushita, даже при имеющихся научных результатах, прогнозируют рост рынка ферромагнитной памяти до $690 млн к 2005 году.

Другой тип памяти, столь же перспективный, как FeRAM, заключает в себе энергонезависимость и неплохие скоростные показатели функционирования. Речь идет о Magnetic RAM (MRAM). Данный тип памяти должен заложить основы новой парадигмы универсальной оперативной памяти, которая придет на смену микросхемам DRAM, SRAM и флэш-памяти. Вместо конденсаторов, применяемых в микросхемах DRAM, технология MRAM предусматривает использование тонкой магнитной пленки, тогда как в привычных микросхемах памяти информация сохраняется благодаря формированию соответствующим образом распределенного заряда конденсаторов. В устройствах MRAM хранение информации будет осуществляться за счет намагничивания пленки, что снимает необходимость периодического обновления памяти MRAM, как это происходит во всех современных разновидностях динамической памяти.

Структура логического элемента магниторезистивной памяти представлена двумя ферромагнитными слоями, разделенными проводящим слоем. Если намагниченности обоих слоев совпадают, электрическое сопротивление ячейки мало - это соответствует логической единице. Если же намагниченности слоев направлены в разные стороны, электрическое сопротивление ячейки велико, и это состояние соответствует логическому нулю.

MRAM вполне заслуженно называют технологией памяти следующего поколения, так как скоростные показатели существующих прототипов очень высоки - по данным IBM, время записи в MRAM может достигать всего 2,3 нс, что более чем в 1000 раз быстрее, нежели время записи в флэш-память, и в 20 раз быстрее скорости обращения к ферроэлектрической памяти. По оценкам, время чтения произвольного бита может составлять не более 3 нс, то есть в 20 раз меньше, чем для DRAM, причем потребляемый ток равен примерно 2 мА (DRAM потребляет в 100 раз больше). Кроме того, MRAM, в отличие от SRAM, неуязвима к внешним электромагнитным воздействиям.

Сегодня на рынке доступны MRAM-чипы компании Cypress. Данный чип имеет объем 64 кбит, на 100% совместим с ее же чипом SRAM (8х8 кбит). Время доступа к произвольному биту в этом образце составляет около 70 нс, диапазон рабочих напряжений - 4,5-5,5 В, максимальная потребляемая мощность - 330 мВт, а минимальная - 495 мкВт. Производитель гарантирует более 1000 циклов записи-перезаписи. Что касается форм-фактора, он стандартен - JEDEC STD 28-pin DIP, 28-pin SOIC и TSOP, то есть безболезненно может быть установлен в те продукты, которые ранее использовали статическую память. Имеется в арсенале Cypress и другой чип - объемом 256 кбит, также совместимый с соответствующим SRAM-чипом (32х8 кбит) и обладающий аналогичными характеристиками и форм-фактором.

По оценкам аналитика компании Pathfinder Research Фреда Зибера, к 2005 году спрос на микросхемы MRAM может достичь $40 млрд, превысив спрос на аналогичные разработки в 100 раз. "Технология MRAM выглядит очень многообещающей, - отметил Зибер. - Конечно, пройдет еще немало времени, прежде чем она появится в коммерческих системах. Но если данная технология будет развиваться в соответсвующем направлении, она со временем вытеснит с рынка микросхемы DRAM, не говоря уже о конкурирующих типах".

Врезка. FeRAM - кто был первым?

В продолжающемся свыше десяти лет споре о том, кто первый описал принцип работы и запатентовал ферроэлектрическую память (FeRAM), недавно была поставлена точка. Владелец прав определен, награда нашла героя. Американский Офис Патентов и Торговых Марок доказал, что компания National Semiconductor имеет полное право называться создателем FeRAM. Проигравшая сторона - компания Ramtron Internationa, которая, благодаря решению апелляционного суда США в 2000 году, последние четыре года владела патентами на FeRAM, согласилась перечислить National Semiconductor компенсацию в размере $2,5 млн.

Напомним, National Semiconductor подала иск против Ramtron в 1991 году (патент компания Ramtron получила в 1989-м). И, как видно сегодня, National Semiconductor было за что сражаться.