Программируемая ячейка металлизации
| памяти компьютера и хранения данных компьютера Типы |
|---|
| Неустойчивый |
| Энергонезависимый |
Программируемая ячейка металлизации , или PMC , представляет собой энергонезависимую компьютерную память , разработанную в Университете штата Аризона . PMC — технология, разработанная для замены широко используемой флэш-памяти , обеспечивающая сочетание более длительного срока службы, более низкого энергопотребления и лучшей плотности памяти. Компания Infineon Technologies , получившая лицензию на эту технологию в 2004 году, называет ее с проводным мостом RAM или CBRAM . CBRAM стала зарегистрированной торговой маркой Adesto Technologies в 2011 году. [1] У NEC есть вариант под названием «Nanobridge», а Sony называет свою версию «электролитической памятью».
Описание [ править ]
PMC — это двухконтактная технология резистивной памяти , разработанная в Университете штата Аризона . PMC — это электрохимическая память металлизации, которая основана на окислительно-восстановительных реакциях для формирования и растворения проводящей нити. [2] Состояние устройства определяется сопротивлением между двумя клеммами. Наличие нити между клеммами приводит к состоянию низкого сопротивления (LRS), тогда как отсутствие нити приводит к состоянию высокого сопротивления (HRS). Устройство PMC состоит из двух твердых металлических электродов: один относительно инертный (например, вольфрам или никель ), другой электрохимически активный (например, серебро или медь ), с тонкой пленкой твердого электролита между ними. [3]
Работа устройства [ править ]
Состояние сопротивления PMC контролируется образованием (программированием) или растворением (стиранием) металлической проводящей нити между двумя терминалами ячейки. Сформированная нить представляет собой фрактальную древовидную структуру.
Формирование нитей [ править ]
PMC полагаются на формирование металлической проводящей нити для перехода в состояние низкого сопротивления (LRS). Нить накала создается путем подачи положительного напряжения смещения ( В ) на контакт анода (активный металл) при заземлении ( контакта катода инертный металл). Положительное смещение окисляет активный металл (М):
- М → М + + и −
Приложенное смещение создает электрическое поле между двумя металлическими контактами. Ионизированные (окисленные) ионы металлов мигрируют вдоль электрического поля к катодному контакту. На катодном контакте ионы металлов восстанавливаются :
- М + + и − → М
По мере того как активный металл осаждается на катоде, электрическое поле между анодом и осадком увеличивается. Эволюцию локального электрического поля ( E ) между растущей нитью и анодом можно упрощенно объяснить следующим образом:
где d — расстояние между анодом и вершиной растущей нити. Нить вырастет и соединится с анодом в течение нескольких наносекунд. [4] Ионы металлов будут продолжать восстанавливаться в нити до тех пор, пока напряжение не будет снято, что приводит к расширению проводящей нити и снижению сопротивления соединения с течением времени. После снятия напряжения проводящая нить останется, оставив устройство в режиме LRS.
Проводящая нить может быть не сплошной, а цепочкой электроосажденных островков или нанокристаллов. [5] Это, вероятно, будет преобладать при низких токах программирования (менее 1 мкА ) , тогда как более высокий ток программирования приведет к тому, что проводник будет преимущественно металлическим.
Растворение нити [ править ]
PMC можно «перевести» в состояние высокого сопротивления (HRS), подав на анод отрицательное напряжение смещения. Окислительно-восстановительный процесс, используемый для создания проводящей нити, обратный, и ионы металла мигрируют вдоль обратного электрического поля, восстанавливаясь на анодном контакте. При удаленной нити накала PMC аналогичен конденсатору с параллельными пластинами с высоким сопротивлением от нескольких ГОм до между контактами МОм .
Чтение устройства [ править ]
Отдельный PMC можно считать, подав на ячейку небольшое напряжение. Пока приложенное напряжение считывания меньше порогового значения напряжения программирования и стирания, направление смещения не имеет значения.
Сравнение технологий [ править ]
CBRAM против. металлооксидный ReRAM [ править ]
CBRAM отличается от металлооксидной ReRAM тем, что для CBRAM ионы металлов легко растворяются в материале между двумя электродами, тогда как для оксидов металлов материал между электродами требует сильного электрического поля, вызывающего локальное повреждение, подобное пробою диэлектрика , оставляя след дефектов проводимости (иногда называемых «нитью накала»). Следовательно, для CBRAM один электрод должен обеспечивать растворяющие ионы, тогда как для металлооксидного RRAM требуется однократный этап «формирования» для создания локального повреждения.
CBRAM против NAND Flash [ править ]
Основной формой твердотельной энергонезависимой памяти является флэш-память , которая находит применение в большинстве ролей, ранее занимавшихся жесткими дисками . Однако у Flash есть проблемы, которые привели к многочисленным попыткам представить продукты для его замены.
Flash основан на концепции плавающего затвора , по сути, представляет собой модифицированный транзистор. Обычные флэш-транзисторы имеют три соединения: исток, сток и затвор. Затвор является важным компонентом транзистора, контролируя сопротивление между истоком и стоком и тем самым действуя как переключатель. В транзисторе с плавающим затвором затвор прикреплен к слою, который улавливает электроны, оставляя его включенным (или выключенным) на продолжительные периоды времени. Плавающий затвор можно перезаписать, пропуская большой ток через цепь эмиттер-коллектор.
Именно этот большой ток является основным недостатком вспышки по ряду причин. Во-первых, каждое приложение тока физически ухудшает качество ячейки, так что в конечном итоге ячейка становится недоступной для записи. Напишите циклы порядка 10 5 до 10 6 являются типичными, ограничивая флэш-приложения ролями, где постоянная запись не является обычным явлением. Для генерации тока также требуется внешняя цепь с использованием системы, известной как зарядовый насос . Насос требует достаточно длительного процесса зарядки, поэтому запись происходит гораздо медленнее, чем чтение; насос также требует гораздо большей мощности. Таким образом, флэш-память является «асимметричной» системой, в гораздо большей степени, чем обычная оперативная память или жесткие диски.
Другая проблема со вспышкой заключается в том, что плавающий затвор подвергается утечке, которая медленно высвобождает заряд. Этому можно противостоять за счет использования мощных окружающих изоляторов, но они требуют определенного физического размера, чтобы быть полезными, а также требуют определенной физической компоновки , которая отличается от более типичных компоновок КМОП , которые потребовали внедрения нескольких новых технологий изготовления. . Поскольку вспышка быстро уменьшается в размерах, утечка заряда становится все более серьезной проблемой, что привело к предсказаниям ее гибели. Однако масштабные рыночные инвестиции привели к развитию флэш-памяти темпами, превышающими закон Мура , и заводы по производству полупроводников, в конце 2007 года были запущены в эксплуатацию использующие 30-нм процессы.
В отличие от флэш-памяти, PMC пишет с относительно низкой мощностью и с высокой скоростью. Скорость обратно пропорциональна приложенной мощности (в некоторой степени существуют механические ограничения), поэтому производительность можно настроить. [6]
Теоретически PMC может масштабироваться до размеров, намного меньших, чем вспышка, теоретически всего в несколько ионов шириной. Ионы меди имеют массу около 0,75 ангстрем. [7] поэтому ширина линий порядка нанометров кажется возможной. PMC рекламировался как более простой по конструкции, чем Flash. [6]
История [ править ]
Технология PMC была разработана Майклом Козицки, профессором электротехники Университета штата Аризона, в 1990-х годах. [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] Ранние экспериментальные системы ПМК были основаны на легированных серебром германиевых селенидных стеклах. Работа перешла к электролитам на основе сульфида германия, легированным серебром, а затем электролитам на основе сульфида германия, легированным медью. [4] Возобновился интерес к устройствам из селенида германия, легированного серебром, из-за их высокого сопротивления. Стекло PMC из диоксида кремния, легированное медью, будет совместимо с процессом изготовления КМОП .
В 1996 году была основана компания Axon Technologies для коммерциализации технологии PMC. Micron Technology объявила о сотрудничестве с PMC в 2002 году. [15] Infineon последовал за ним в 2004 году. [16] К 2007 году лицензия на технологию PMC была передана Adesto Technologies. [6] Infineon передала бизнес по производству памяти своей компании Qimonda , которая, в свою очередь, продала его Adesto Technologies. В 2010 году был выделен грант DARPA на дальнейшие исследования. [17]
В 2011 году Adesto Technologies объединилась с французской компанией Altis Semiconductor для разработки и производства CBRAM. [18] В 2013 году Adesto представила образец продукта CBRAM, в котором 1-мегабитная часть была предложена для замены EEPROM . [19]
Компания NEC разработала так называемую технологию наномостов, используя Cu 2 S или пентаоксид тантала в качестве диэлектрического материала. Таким образом, медь (совместимая с медной металлизацией ИС) заставляет медь мигрировать через Cu 2 S или Ta 2 O 5 , создавая или разрывая замыкание между медным и рутениевым электродами. [20] [21] [22] [23]
Преобладающим применением этого типа памяти являются космические приложения, поскольку этот тип памяти по своей природе устойчив к радиации.
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ «Торговые марки Adesto Technologies» .
- ^ Валов Илья; Васер, Райнер; Джеймсон, Джон; Козицки, Майкл (июнь 2011 г.). «Памяти электрохимической металлизации-основы, применение, перспективы». Нанотехнологии . 22 (25): 254003. Бибкод : 2011Nanot..22y4003V . дои : 10.1088/0957-4484/22/25/254003 . ПМИД 21572191 . S2CID 250920840 .
- ^ Майкл Н. Козицки; Чакраварти Гопалан; Мурали Балакришнан; Парк Мира; Мария Миткова (20 августа 2004 г.). «Энергонезависимая память на основе твердых электролитов» (PDF) . Слушания. 2004 Конференция IEEE по биоинформатике вычислительных систем . IEEE. стр. 10–17. дои : 10.1109/NVMT.2004.1380792 . ISBN 0-7803-8726-0 . S2CID 2884270 . Проверено 13 апреля 2017 г.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б М. Н. Козицкий; М. Балакришнан; К. Гопалан; К. Ратнакумар; М. Миткова (ноябрь 2005 г.). «Программируемая ячейка металлизации памяти на основе твердых электролитов Ag-Ge-S и Cu-Ge-S». Симпозиум «Технологии энергонезависимой памяти 2005» . IEEE. стр. 83–89. дои : 10.1109/NVMT.2005.1541405 . ISBN 0-7803-9408-9 . S2CID 45696302 .
- ^ Мураликришнан Балакришнан; Сарат Чандран Путен Термадам; Мария Миткова; Майкл Н. Козицки (ноябрь 2006 г.). «Энергонезависимый элемент памяти малой мощности на основе меди в нанесенном оксиде кремния». 2006 г. 7-й ежегодный симпозиум по технологиям энергонезависимой памяти . IEEE. стр. 111–115. дои : 10.1109/NVMT.2006.378887 . ISBN 0-7803-9738-Х . S2CID 27573769 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Мадригал, Алексис (26 октября 2007 г.). «Терабайтные флэш-накопители стали возможными благодаря нанотехнологической памяти» . Проводной . Архивировано из оригинала 11 мая 2008 года . Проверено 13 апреля 2017 г.
- ^ «Ионные размеры обычных элементов» . Архивировано из оригинала 07.11.2007. , сравните с Ко
- ^ «Структура программируемой ячейки металлизации и способ ее изготовления» .
- ^ «Программируемая подповерхностная агрегирующая структура металлизации и способ ее изготовления» .
- ^ «Программируемые микроэлектронные устройства и способы их формирования и программирования» .
- ^ «Структура программируемой проводниковой ячейки памяти и способ ее создания» .
- ^ Патент США 7 372 065.
- ^ «Конструкции программируемых ячеек металлизации, включающие оксидный электролит, устройства, включая структуру и способ их формирования» .
- ^ Б. Сваруп; туалет Запад; Г. Мартинес; Майкл Н. Козицки; Лос-Анджелес Акерс (май 1998 г.). «Программируемый текущий режим нейронной сети Хебба, обучающейся с использованием программируемой ячейки металлизации». ИСКАС '98. Материалы Международного симпозиума IEEE по схемам и системам 1998 г. (кат. № 98CH36187) . Том. 3. ИИЭР. стр. 33–36. дои : 10.1109/ISCAS.1998.703888 . ISBN 0-7803-4455-3 . S2CID 61167613 .
- ^ «Micron Technology лицензирует технологию программируемых ячеек металлизации Axon». Пресс-релиз . 18 января 2002 г.
- ^ «Корпорация Axon Technologies объявляет Infineon в качестве нового лицензиата технологии энергонезависимой памяти с программируемыми металлическими ячейками» . Проектирование и повторное использование .
- ^ «Adesto Technologies получает награду DARPA за разработку субпороговой энергонезависимой встроенной памяти CBRAM» . Пресс-релиз . Адесто. 29 ноября 2010 года . Проверено 13 апреля 2017 г.
- ^ Altis и Adesto Technologies объявляют о партнерстве в области передовых технологий памяти CBRAM - Business Wire - опубликовано 27 июня 2011 г. - просмотрено 28 марта 2014 г. Архивировано 31 марта 2014 г. на Wayback Machine.
- ^ «CBRAM от Adesto нацелен на рынок объемом 70 миллиардов долларов» . Наанализировать . 30 июля 2013 года . Проверено 13 апреля 2017 г.
- ^ Сунамура, Хироси; Терабе, Кадзуя; Аоно, Масакадзу Сакамото, Тосицугу ; 2007 ) Банно, Наоки, Нориюки ; ( . /VLSIT.2007.4339718 .S2CID 38195904 .
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ «NEC: Nanobridge может создавать программируемые микросхемы» . Проверено 22 октября 2020 г.
- ^ «Маломощная ПЛИС на основе технологии NanoBridge®» (PDF) . Проверено 22 октября 2020 г.
- ^ «Полупроводниковый прибор» .
