magyar elektronika

Elfogadom az adatkezelési tájékoztatóban foglaltakat:*

Mark Cundle ‑ RS Components

rsComp 1

A flashmemória még mindig rendkívül keresett terméknek számít. A mobil eszközök, mint például a táblagépek és az okostele­-fonok vásárlói erős mozgásban tartják a flash, ezzel együtt pedig a félvezetők piacát. Ennek egyik fontos oka, hogy az elmúlt években a tabletek piaca jelentősen növekedett. Elemzők előrejelzése alapján az egyik leggyakoribb flashmemóriatípus, a NAND Flash összetett éves növekedési üteme (CAGR) 2011 és 2015 között 7 százalék környékén lesz.

.

 

 Nemfelejtő memóriatechnológiák a mérlegen

A flashmemória egyelőre magasan vezeti a gyorsan törölhető és újraírható, kikapcsoláskor nem törlődő memóriaeszközök piacát. Javában folyik a technológiai fejlesztés, a gyártók tágítják a határokat, tovább növelik a memóriasűrűséget a 25 nm-es és kisebb mérettartományban. A NAND flash vezető gyártói már elkezdték a 64 Gbit-es memóriák gyártását a 20…30 nm-es tartományban, és innovatív memóriaarchitektúrákat használnak a nagy sűrűség iránti igény kielégítésére. A SanDisk és a Toshiba az ISSCC-n (International Solid State Circuits Conference) megjelentetett dokumentumában részleteket közölt egy 128 Gbit-es NAND flash eszközről, amely 19 nm mérettartományú és 3 bit/cella technológiával készült.

Helyettesítési lehetőségek

Miközben a gyorsmemória egyre kisebb lesz és rövid-, illetve középtávon kereslet mutatkozik iránta, hosszabb távon már nagy igény formálódik egy olyan helyettesítő eszközre, amely a flash-nél jobb paraméterekkel, önálló és beágyazott alkalmazásokban is megállja a helyét. A fizikusok számos olyan „bistabil” anyagszerkezeti változást ismernek, amely állapottárolásra alkalmas, ám ezeknek csak jóval kisebb hányada alkalmas mikrotechnológiai megvalósításra és a jelenkori követelmények között az elsők között említett kis teljesítményigényű működésre. A fő szempontok alapján megfelelőnek és megvalósíthatónak ítélt működési elvek közt a félvezetőgyártó vállalatok, a kutatócégek és egyetemek körülbelül 30 különböző nemfelejtő memóriatechnológiát vizsgálnak, amelyek közül néhány kis mennyiségben már el is érte a gyártható, piacképes szintet, és kis mennyiségben már be

is szerezhető. Ezúttal négy, eltérő technológiával gyártott, nemfelejtő memóriatípus tulajdonságait tesszük mérlegre, amelyek számos előnnyel bírnak a flashmemóriával szemben – pl. 100-szor gyorsabb írás/olvasás és jóval magasabb írásciklus-élettartam. A vizsgált megoldások a következők:

  • Phase-Change Memory;

  • Ferroelectric Random Access Memory;

  • Magnetoresistive Random Access Memory; és

  • Resistive RAM.

Phase-Change Memory

A fázisváltós memória (Phase Change Memory – PCM) a kal­ko­genid üveg azon tulajdonságát használja ki, hogy az anyag négy különböző állapot: egy kristályos, egy amorf és két, részben kristályos állapot között válthat. Az üveg információhordozó állapotai közötti váltás annak a hőnek köszönhető, amely akkor termelődik, amikor az elektromos áram keresztülhalad az üvegen. Mivel a PCM négy állapot létrehozására képes, cellánként két bit tárolását teszi lehetővé, amely a tárolókapacitásnak a cellaszámhoz képesti megduplázásával egyenértékű. Az egyes állapotok elektromos ellenállása nagyon eltérő. Az amorf állapot magas ellenállása alkotja a bináris „0”-át, míg a kristályos állapot alacsony ellenállása az „1”-et. Mivel a cellák állapotváltozását közvetlenül a hőhatás okozza, a PCM elsődleges hátránya a magas hőmérséklettel szembeni érzékenysége. Használat következtében is romlik a minősége, de sokkal lassabban, mint a flashmemória esetében, ahol az írási ciklusok száma 5000, míg a PCM esetében kb. 100 millió. A PCM nagy teljesítményt nyújt különösen azokban az alkalmazásokban, ahol sok írási ciklusra van szükség, mivel gyors a kapcsolási ideje, az egyes bitek közötti váltása, ahol nincs szükség először blokkok törlésére. Jelenleg a 40 nm-es mérettartományban gyártható.
    A Micron Technologies és a Samsung versenyez annak a célnak az eléréséért, hogy melyikük állít elő először 1 Gbit-es PCM-eszközt, miközben a technológiával készült eszközök g

yakorlati felhasználásra is kerültek az utóbbi cégnél, amely már NOR-Flash-kompatibilis 512-Mbit PRAM-okat szerelt mobil eszközeibe.

Ferroelectric Random Access Memory

A ferroelektromos RAM (FRAM vagy FeRAM) felépítése nagyon hasonló a DRAM-éhoz. A DRAM egy dielektromos tranzisztorból és egy kondenzátoralapú tárolómagból áll, míg a FRAM egy ferroelektromos anyagot, mint például a PZT (ólom-cirkónium-titanát) kerámiát használ a ferroelektromos kondenzátorhoz, amelyet a tranzisztor kapujához építenek be.
A ferroelektromos anyag kristályos szerkezete lehetővé teszi a fél-állandó elektromos dipólusok létrehozását, amelyek iránya megegyezik a külső elektromos mező irányával, és fenntartja ezt a polaritást a mező eltávolítása után is. Ez lehetővé teszi a véletlenszerű hozzáférést az egyes bitekhez az olvasási/írási műveletek során; a bináris „0” és „1” logikai állapotot az egyes cellák két lehetséges polarizációja reprezentálja.
    A flashmemóriánál a FRAM energiafogyasztása alacsonyabb, nagyobb az írási sebessége és több írási-törlési ciklusra képes. Hátrányai között említhető az alacsonyabb tárolási sűrűség, a korlátozott tárolási kapacitás és a magasabb költségek. A Fujitsu már bejelentett olyan eszközöket, amelyek a FRAM-memóriát használják a flash helyett – illetve az ipari, üzemi és alacsony energia szükségletű alkalmazásokban a SRAM helyett –, miközben a Texas Instruments bizonyos mikrovezérlő-családjaiban már az FRAM tölti be a korábban egyeduralkodó flashtároló szerepét.

Magnetoresistive Random Access Memory

A mágneses térrel vezérelhető ellenállás elvén működő Magneto­resistive Random Access Memory (MRAM) két lemezből álló mágneses tárolóelemeket használ, amelyeket egy vékony szigetelőréteg választ el, és amelyek közül mindegyik képes a mágneses mező megtartá­sára. A legegyszerűbb cellastruktúra hasonlít a spinszelep-konfigurációra. Az egyik lemez állandó mágneses polaritású, míg a másik polaritása változtatható a külső mágneses mezőnek megfelelően. A bitek tárolása a következők szerint történik: „1”-es esetén mindkét lemez polaritása azonos, „0” esetén a lemezek polaritása ellentétes. Ezeknek a celláknak a hálózata alkotja a memóriaeszközt. A technológiával nemcsak a flash­memória lesz helyettesíthető, de a DRAM- és a SRAM-memória is. A MRAM azonban érzékeny a külső statikus mágneses terek okozta interferenciára.
    Az Everspin, a Freescale Semiconductors egyik leányvállalata milliós darabszámban tervezi értékesíteni a MRAM-egységeket, de nagy erőforrásokat fektet a második generációs, ún. SST-MRAM (Spin Transfer Torque MRAM) fejlesztésére is. Ebben a technológiában elmarad a szigetelőréteg a két lemez között, és helyette egy korlátozó réteget és polarizált elektronokat használnak. Ennek elsődleges előnye, hogy csökkenti az íráshoz szükséges áramerősséget, amelynek erőssége eszerint nagyjából megegyezik az olvasási áramerősséggel, továbbá lehetővé teszi a magasabb sűrűséget. Működési feltétel viszont, hogy a spinkoherenciát fenn kell tartani, és a nagyobb sebességhez magasabb áramerősség szükséges. A technológiát az új kompozitstruktúrákkal a 65 nm alatti tartományban kívánják alkalmazni.

Resistive RAM

A Resistive RAM (RRAM) működése bizonyos ellenállásanyagok ellenállásának az elektromosság (feszültség vagy áramerőség) hatására bekövetkező állapotváltásán alapszik két stabil állapot (alacsony/magas) között. Ez az oxid-szigetelőanyagon hirtelen végigfutó elektromos vezetésnek köszönhető. A RRAM két ellen­állás-állapot között vált: a RESET visszaállítja a magas ellenállást az alacsony ellenállású állapotról; a SET pedig ezzel ellentétes változást okoz. A RRAM a 30 nm-es mérettartományban hozható létre. Egy tanulmány szerint az oxigénalapú RRAM esetében az oxigénmozgás 2 nm szinten is létrejöhet. Az IMEC kutatóintézet szerint a RRAM-eszközök kötegelt struktúrával beléphetnek a 11 nm-es tartományba, ahol a „SONOS” flash közvetlen belépő lehet a 17 nm-es és 14 nm-es csomópontok közé. Az RRAM nanoszekundum alatti kapcsolási idejű minimális energiafogyasztással, továbbá nagy az adatbiztonsága, mivel ellenáll a magas hőmérsékletnek és a ciklikus igénybevételnek. Ez a nagy környezetállóság és magas írásciklusszám új lehetőség az autóipar, illetve a beágyazott alkalmazások számára. Az Elpida már kifejlesztett egy RRAM prototípust azzal a céllal, hogy a tömeggyártást 2013-ban megkezdhesse olyan eszközökkel, amelyek kapacitása több gigabit, és a 30 nm-es mérettartományban készül.

A végét még nem is látjuk…

A négy technológia közül még egyik sem érte el a nagy áttörést a mennyiség tekintetében, mivel csak nagyon kis piacon vannak jelen. A gyorsmemória még pár generáción keresztül biztosan jelen lesz, tehát még sok időnek kell eltelnie ahhoz, hogy kimondhassunk: „Meghalt a flash, éljen a …” – de mi is?

 

RS Components Magyarország
Tel.: +36 1 408 8371
Fax: +36 1 408 8372
E-mail: service@rscomponents.hu
www.rscomponents.hu