Flash-память остается доминирующим видом энергонезависимой (то есть сохраняющей информацию в отсутствии электрического тока) памяти благодаря широкому использованию в твердотельных накопителях (SSD) и привычных каждому USB флеш-накопителях. Но, несмотря на ее популярность и повсеместное использование, технология все еще остается проблемной, особенно если норма производства опускается ниже 30нм-процесса — скорость работы флеш-памяти снижается. Вдобавок к этому — ограниченное количество циклов записи-стирания и относительно низкая скорость самой записи (в миллисекундах). Из-за всех этих ограничений, исследователи уже давно ищут эффективную замену флеш-памяти для производства вышеупомянутых продуктов.
В настоящий момент существует несколько альтернативных разработок, которые вполне могли бы заменить кремниевую флеш-память, такие как PRAM (phase-change RAM), FeRAM (ferroelectric RAM), MRAM (magnetoresistive RAM) и RRAM (resistance-change RAM). Однако до сегодняшнего дня ученым различных университетов и компаний так и не удалось успешно применить текущую технологическую норму в производстве памяти по любой из этих технологий — либо механизм переключения режимов, либо сама платформа теряет эффективность и скорость на уровне «нано». Плюс к этому, ни одной из этих разработок не хватает таких важных в коммерческом производстве характеристик, как увеличение циклов записи-стирания (по-сравнению с флеш-памятью), долгосрочности хранения данных в отсутствии тока и высокой скорости переключения между режимами чтения/записи. Именно качественный и количественный рост этих показателей считается основным требованием в разработке энергонезависимой памяти следующего поколения.
А еще, не развлечения ради, исследователи планируют заменить эту технологию целиком. Совместная группа ученых из Samsung и корейского Sejong University недавно опубликовали занятную публикацию в журнале Nature Materials, описывающую новую технологию производства RRAM (resistance-change RAM это технология, позволяющая менять напряжение ячеек так, что ее состояние меняется с низкого сопротивления (высокая проводимость) на высокое сопротивление (низкая проводимость)) из оксида тантала (TaOx), который в тестах показал огромное преимущество над существующими технологиями, побив результаты почти по всем пунктам.
Устройства на основе RRAM работают следующим образом: при достаточном напряжении материал, функционирующий в обычных условиях как изолятор (состояние высокого сопротивления) переключается в состояние низкого сопротивления. Сама микросхема, структура которой многослойна (сэндвич) сидит на основном слое оксида тантала (TaO2-x), на который наносится более тонкий слой оксида (Ta2O5-x), выступающий в качестве изолирующего слоя, окруженного платиновыми электродами. Эта конфигурация, известная как MIMB (metal-insulator-base-metal) является изолятором, который может переключиться в состояние высокой проводимости, поменяв свою конфигурацию на MMBM (metal-metal-base-metal). Занятно, не правда ли?
Собственно, природа процесса такого переключения еще не изучена до конца, но авторы исследования считают, что прокладка высокопроводящих нитей, простирающихся через слой оксида Ta2O5-x приведет к тому, что по ним, при достаточно высоком напряжения, начнут двигаться ионы кислорода в результате окислительно-восстановительного процесса.
Итак, в изолирующем (MIMB) состоянии то, что находится между электродом платины и оксидом тантала, образует переход металл-полупроводник, так же известный как Барьер Шоттки, в то время как в высокопроводимом (MMBM) состоянии то же самое образует омический контакт. Основная разница между ними заключается в том, что текущий профиль (в зависимости от напряжения) является линейным и симметричным для омического контакта, но для Барьера Шоттки он нелинейный и ассиметричный. Наличие барьера так же выигрышно, т.к. не допускает блужданий тока через массив из нескольких устройств, что важно для обеспечения высокой плотности хранения данных.
Результатом вышеописанных манипуляций является память, которая при 30нм производственном процессе и токе в 50 микроампер (что ниже требований одной из альтернативных технологий — PRAM) бьет текущие показатели флеш-памяти. Было показано 1012 (у сегодняшней флеш-памяти эта цифра колеблется между 104-106) циклов записи-стирания при времени переключения в 10 наносекунд и сроком хранения информации в 10 лет при температуре 85 градусов Цельсия. Это достаточно серьезный скачок вперед, по-сравнению с той флеш-памятью, что так распространена сегодня. Плюс, она более устойчива и без проблем функционирует в вакууме.
Вероятно, что все это слишком сладко и гладко, для того чтобы быть правдой. Здесь сразу же стоит оговориться, что тесты проводились в лабораторных условиях на плашке, способной уместить 64 бита информации (в данной терминологии — это 64 модуля памяти). Прежде чем на рынке смогут появиться гигабайтные устройства сделанные по RRAM-технологии, пройдет еще несколько лет.
Во всей отрасли полупроводников, для того чтобы запустить массовое производство, нужно вносить изменения в процесс нанолитографии, но в этом отдельном случае, придется до конца разобраться в механизме переключения состояний сопротивления. Но то, что показали исследователи в качестве результата — впечатляет. Если RRAM доведут до ума, ее можно будет использовать в качестве универсальной памяти, подходящей как для хранения информации, так и производства оперативной памяти.
За помощь с химическими формулами спасибо lesch
Nature Materials via ArsTechnica
