Нано-ОЗУ
| памяти компьютера и хранения данных компьютера Типы |
|---|
| Неустойчивый |
| Энергонезависимый |
Nano-RAM — это запатентованная технология компьютерной памяти от компании Nantero . Это тип энергонезависимой памяти с произвольным доступом, основанный на положении углеродных нанотрубок, нанесенных на подложку, похожую на чип. Теоретически небольшой размер нанотрубок обеспечивает очень высокую плотность памяти. Нантеро также называет его NRAM.
Технология
[ редактировать ]Технология Nantero NRAM первого поколения была основана на полупроводниковом устройстве с тремя выводами , где третий вывод используется для переключения ячейки памяти между состояниями памяти. Технология NRAM второго поколения основана на двухконтактной ячейке памяти. Двухполюсная ячейка имеет такие преимущества, как меньший размер ячейки, лучшая масштабируемость до узлов размером менее 20 нм (см. Изготовление полупроводниковых устройств ) и возможность пассивировать ячейку памяти во время изготовления.
В нетканой матрице из углеродных нанотрубок (УНТ) скрещенные нанотрубки могут либо соприкасаться, либо слегка раздвигаться в зависимости от их положения. При соприкосновении углеродные нанотрубки удерживаются вместе силами Ван-дер-Ваальса . [1] Каждая «ячейка» NRAM состоит из взаимосвязанной сети УНТ, расположенных между двумя электродами, как показано на рисунке 1. Ткань УНТ расположена между двумя металлическими электродами, которые определяются и вытравливаются с помощью фотолитографии и образуют ячейку NRAM.
NRAM действует как резистивная энергонезависимая память с произвольным доступом (ОЗУ) и может работать в двух или более резистивных режимах в зависимости от резистивного состояния структуры CNT. Когда УНТ не находятся в контакте, состояние сопротивления ткани высокое и представляет собой состояние «выключено» или «0». Когда УНТ вступают в контакт, состояние сопротивления ткани низкое и представляет собой состояние «включено» или «1». NRAM действует как память, поскольку два резистивных состояния очень стабильны. В состоянии 0 УНТ (или их часть) не контактируют и остаются в разделенном состоянии из-за жесткости УНТ, что приводит к состоянию измерения высокого сопротивления или низкого тока между верхним и нижним электродами. В состоянии 1 УНТ (или их часть) находятся в контакте и остаются в контакте из-за сил Ван-дер-Ваальса между УНТ, что приводит к состоянию измерения низкого сопротивления или высокого тока между верхним и нижним электродами. Обратите внимание, что другие источники сопротивления, такие как контактное сопротивление между электродом и УНТ, могут быть значительными и их также необходимо учитывать.
Для переключения NRAM между состояниями между верхним и нижним электродами подается небольшое напряжение, превышающее напряжение чтения. Если NRAM находится в состоянии 0, приложенное напряжение вызовет электростатическое притяжение между УНТ, расположенными близко друг к другу, что приведет к операции SET. После снятия приложенного напряжения УНТ остаются в состоянии 1 или с низким сопротивлением из-за физической адгезии (силы Ван-дер-Ваальса) с энергией активации (E a ) примерно 5 эВ. Если ячейка NRAM находится в состоянии 1, приложение напряжения, превышающего напряжение считывания, будет генерировать фононные возбуждения УНТ с достаточной энергией для разделения переходов УНТ. Это операция сброса, управляемая фононами. УНТ остаются в выключенном состоянии или состоянии с высоким сопротивлением из-за высокой механической жесткости ( модуль Юнга 1 ТПа) с энергией активации (E a ), намного превышающей 5 эВ. Рисунок 2 иллюстрирует оба состояния отдельной пары УНТ, участвующих в операции переключения. Благодаря высокой энергии активации (> 5 эВ), необходимой для переключения между состояниями, переключатель NRAM устойчив к внешним воздействиям, таким как излучение и рабочая температура , при которой можно стереть или перевернуть традиционную память, такую как DRAM .
NRAM изготавливаются путем нанесения однородного слоя УНТ на заранее изготовленный массив драйверов, таких как транзисторы, как показано на рисунке 1. Нижний электрод ячейки NRAM находится в контакте с нижележащим переходным отверстием (электроникой), соединяющим ячейку с драйвером. Нижний электрод может быть изготовлен как часть нижележащего переходного отверстия или он может быть изготовлен одновременно с ячейкой NRAM, когда ячейка определяется фотолитографически и травится. Прежде чем ячейка будет подвергнута фотолитографическому определению и травлению, верхний электрод наносится в виде металлической пленки на слой УНТ, так что на верхнем металлическом электроде формируется рисунок и травление во время определения ячейки NRAM. После диэлектрической пассивации и заполнения массива верхний металлический электрод обнажается путем травления вышележащего диэлектрика с использованием процесса сглаживания, такого как химико-механическая планаризация . Когда верхний электрод открыт, изготавливается следующий уровень металлического соединения проводов для завершения массива NRAM. На рисунке 3 показан один из схемных методов выбора одной ячейки для записи и чтения. Используя межсетевое соединение, NRAM и драйвер (ячейка) образуют массив памяти, аналогичный другим массивам памяти. Одну ячейку можно выбрать, подав правильное напряжение на словную линию (WL), битовую линию (BL) и строку выбора (SL), не нарушая при этом другие ячейки массива. В качестве альтернативы между нижним электродом и верхним металлическим слоем могут быть два слоя УНТ: один с равномерно расположенными УНТ, а другой со случайно расположенными УНТ. Равномерно расположенные УНТ используются для защиты случайно расположенных УНТ от верхнего слоя металла. [2]
Характеристики
[ редактировать ]NRAM имеет плотность, по крайней мере теоретически, аналогичную плотности DRAM. DRAM включает в себя конденсаторы, которые по сути представляют собой две небольшие металлические пластины с тонким изолятором между ними. NRAM имеет клеммы и электроды примерно такого же размера, как пластины в DRAM, а нанотрубки между ними настолько меньше, что ничего не добавляют к общему размеру. Однако, похоже, существует минимальный размер, при котором можно построить DRAM, ниже которого на пластинах просто не хватает заряда. NRAM, похоже, ограничен только литографией. [ нужна ссылка ] . Это означает, что NRAM может стать намного плотнее, чем DRAM, и, возможно, также дешевле. В отличие от DRAM, NRAM не требует питания для «обновления» и сохраняет свою память даже после отключения питания. Таким образом, мощность, необходимая для записи и сохранения состояния памяти устройства, намного ниже, чем у DRAM, которой приходится накапливать заряд на пластинах ячеек. Это означает, что NRAM может конкурировать с DRAM с точки зрения стоимости, но при этом требует меньше энергии и, как следствие, работает намного быстрее, поскольку производительность записи во многом определяется общим необходимым зарядом. NRAM теоретически может достичь производительности, аналогичной SRAM, которая быстрее, чем DRAM, но гораздо менее плотна и, следовательно, намного дороже.
Сравнение с другой энергонезависимой памятью
[ редактировать ]По сравнению с другими технологиями энергонезависимой оперативной памяти (NVRAM), NRAM имеет ряд преимуществ. Во флэш-памяти , распространенной форме NVRAM, каждая ячейка напоминает МОП- транзистор с управляющим затвором (CG), модулированным плавающим затвором (FG), вставленным между CG и FG. ФГ окружен изолирующим диэлектриком, обычно оксидом. Поскольку FG электрически изолирован окружающим диэлектриком, любые электроны, помещенные на FG, будут захватываться на FG, что экранирует CG от канала транзистора и изменяет пороговое напряжение (VT) транзистора. Записывая и контролируя количество заряда, размещенного на FG, FG управляет состоянием проводимости флэш-устройства MOSFET в зависимости от VT выбранной ячейки. Ток, протекающий через канал MOSFET, измеряется для определения состояния ячейки, формируя двоичный код , где состояние 1 (поток тока) при подаче соответствующего напряжения CG и состояние 0 (отсутствие тока) при подаче напряжения CG. .
После записи изолятор захватывает электроны на FG, фиксируя его в состоянии 0. Однако, чтобы изменить этот бит, изолятор необходимо «перезарядить», чтобы стереть уже накопленный в нем заряд. Для этого требуется более высокое напряжение, около 10 вольт, что намного больше, чем может обеспечить батарея. Флэш-системы включают в себя « насос заряда », который медленно наращивает мощность и высвобождает ее при более высоком напряжении. Этот процесс не только медленный, но и разрушает изоляторы. По этой причине флэш-память имеет ограниченное количество операций записи, прежде чем устройство перестанет работать эффективно.
Чтение и запись NRAM требуют «низкого энергопотребления» по сравнению с флэш-памятью (или DRAM, если уж на то пошло, из-за «обновления»), а это означает, что NRAM может иметь более длительный срок службы батареи. Кроме того, запись может быть намного быстрее, чем любой другой, то есть его можно использовать для замены обоих. Современные телефоны включают флэш-память для хранения телефонных номеров, DRAM для более производительной рабочей памяти, поскольку флэш-память слишком медленная, и немного SRAM для еще большей производительности. Некоторое количество NRAM может быть размещено в ЦП в качестве кэша ЦП , а большее количество — в других чипах, заменяющих как DRAM, так и флэш-память.
NRAM — одна из множества новых систем памяти, многие из которых претендуют на звание « универсальных » так же, как и NRAM, — заменяя все — от флэш-памяти до DRAM и SRAM.
Альтернативная память, готовая к использованию, — сегнетоэлектрическая оперативная память (FRAM или FeRAM). FeRAM добавляет небольшое количество сегнетоэлектрического материала в ячейку DRAM. Состояние поля в материале кодирует бит в неразрушающем формате. FeRAM имеет преимущества NRAM, хотя минимально возможный размер ячейки намного больше, чем у NRAM. FeRAM используется в приложениях, где ограниченное количество операций записи во флэш-память является проблемой. Операции чтения FeRAM являются разрушительными и требуют последующей операции восстановления записи.
Другие более спекулятивные системы памяти включают магниторезистивную память с произвольным доступом (MRAM) и память с фазовым изменением (PRAM). MRAM основана на сетке магнитных туннельных переходов . MRAM считывает память, используя эффект туннельного магнитосопротивления , что позволяет считывать память неразрушающим образом и с очень небольшим энергопотреблением. Ранняя MRAM использовала запись, индуцированную полем, [3] достиг предела по размеру, из-за чего он был намного больше, чем флэш-устройства. Однако новые методы MRAM могут преодолеть ограничение размера и сделать MRAM конкурентоспособным даже с флэш-памятью. Это методы термического переключения (TAS), [4] разработанный Crocus Technology , и Spin-transfer крутящий момент , над которым Crocus, Hynix , IBM и другие компании работали в 2009 году. [5]
PRAM основана на технологии, аналогичной той, что используется в записываемых компакт-дисках или DVD-дисках, с использованием материала с фазовым переходом, который меняет его магнитные или электрические свойства вместо оптических. Сам материал PRAM масштабируем, но требует более мощного источника тока.
История
[ редактировать ] | |
| Тип компании | Частный |
|---|---|
| Промышленность | Полупроводники, нанотехнологии |
| Основан | 2001 |
| Штаб-квартира | , НАС |
| Продукты | Нано-ОЗУ |
| Веб-сайт | www |
Компания Nantero была основана в 2001 году, ее штаб-квартира находится в Уобёрне, штат Массачусетс . Из-за огромных инвестиций в заводы по производству флэш-полупроводников ни одна альтернативная память не заменила флэш-память на рынке, несмотря на прогнозы еще в 2003 году о предстоящей скорости и плотности NRAM. [6] [7]
В 2005 году NRAM рекламировалась как универсальная память , и Нантеро предсказал, что она будет запущена в производство к концу 2006 года. [8] В августе 2008 года Lockheed Martin приобрела исключительную лицензию на государственное применение интеллектуальной собственности Nantero. [9]
К началу 2009 года у Nantero было 30 патентов США и 47 сотрудников, но она все еще находилась на стадии разработки. [10] В мае 2009 года радиационно-стойкая версия NRAM была испытана на миссии STS-125 американского космического корабля « Атлантис» . [11]
Компания хранила молчание до тех пор, пока в ноябре 2012 года не было объявлено об очередном раунде финансирования и сотрудничества с бельгийским исследовательским центром imec . [12] [13] Нантеро собрал в общей сложности более 42 миллионов долларов в рамках раунда серии D в ноябре 2012 года. [14] Среди инвесторов были Charles River Ventures , Draper Fisher Jurvetson , Globespan Capital Partners , Stata Venture Partners и Harris & Harris Group . В мае 2013 года Nantero завершила серию D благодаря инвестициям Schlumberger . [15] EE Times включила Nantero в число «10 лучших стартапов 2013 года, за которыми стоит следить». [16]
31 августа 2016 г.: Два полупроводниковых предприятия Fujitsu лицензируют технологию Nantero NRAM в рамках совместной разработки Nantero и Fujitsu для производства чипов, о которых было объявлено в 2018 году. Заявлено, что они имеют в несколько тысяч раз более быструю перезапись и во много тысяч раз больше циклов перезаписи, чем встроенная флэш-память. [17] По состоянию на 2024 год эти продукты все еще анонсированы, но еще не поступили на рынок.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Каково будущее DRAM?» . 9 апреля 2020 г.
- ^ «Каково будущее DRAM?» . 9 апреля 2020 г.
- ^ Слотер, Дж. М.; Риццо, Северная Дакота; Манкофф, ФБ; Виг, Р.; Смит, К.; Аггарвал, С.; Тегерани, С. (2010). «Toggle and Spin-Toggle и Spin-Torque MRAM: состояние и перспективы» (PDF) . Магнитное общество Японии . 5 . Everspin Technologies: 171. S2CID 112533665 . Проверено 2 декабря 2022 г.
- ^ Появление практической MRAM «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 27 апреля 2011 г. Проверено 20 июля 2009 г.
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ) - ^ Марк ЛаПедус (18 июня 2009 г.). «Tower инвестирует в «Крокус» и предлагает сделку с литейным заводом MRAM» . ЭЭ Таймс . Проверено 10 июля 2013 г.
- ^ «В новом типе компьютерной памяти используется углерод, а не кремний» . Экономист . 8 мая 2003 года . Проверено 10 июля 2013 г.
- ^ Джон Лейден (13 мая 2003 г.). «О сверхбыстрой углеродной памяти: нанотрубка» . Регистр . Проверено 20 июля 2013 г.
- ^ «Универсальная память» нанотрубок — открытие для компьютеров» . Музей науки . Действующий центр науки и технологий. Архивировано из оригинала 4 февраля 2005 года . Проверено 14 июля 2013 г.
- ^ ЛаПедус, Марк (13 августа 2008 г.). «Lockheed покупает правительственное подразделение Нантеро» . Проверено 20 августа 2013 г.
- ^ Эфраин Вискароласага (22 января 2009 г.). «Полупроводники Nantero занимают высокий рейтинг патентной мощности» . Массовые высокие технологии . Проверено 10 июля 2013 г.
- ^ «Lockheed Martin тестирует устройства памяти на основе углеродных нанотрубок в ходе миссии шаттла НАСА» . Пресс-релиз . 18 ноября 2009 года . Проверено 14 июля 2013 г.
- ^ «Нантеро и imec сотрудничают в разработке памяти на основе углеродных нанотрубок» . AZOM: материалы от А до Я. 1 ноября 2012 года . Проверено 20 августа 2013 г.
- ^ Меллоу, Крис (6 ноября 2012 г.). «Фирма по производству памяти на основе нанотрубок, убивающая флэш-память, объединяется с бельгийцами, чтобы попытаться еще раз: опоздание на 3 года, и оно продолжает расти, но теперь движется «еще быстрее» » . Регистр . Проверено 10 июля 2013 г.
- ^ Ресенде, Патрисия (28 ноября 2012 г.). «Нантеро получает 10 миллионов долларов на коммерциализацию продукта» . Массовые высокие технологии . Проверено 10 июля 2013 г.
- ^ «Nantero обеспечивает второе закрытие серии D; компания привлекает крупных стратегических инвесторов» . 29 мая 2013 года . Проверено 20 августа 2013 г.
- ^ Кларк, Питер (21 декабря 2012 г.). «10 лучших стартапов, за которыми стоит следить в 2013 году» . ЭЭ Таймс . Проверено 10 июля 2013 г.
- ^ Меллор, Крис (31 августа 2016 г.). «Глубоко внутри технологии энергонезависимой памяти из углеродных нанотрубок Nantero» . Регистр .
