ТЕМА 16 Флэш-память. Перспективные запоминающие устройства. - презентация

1 ТЕМА 16 Флэш-память. Перспективные запоминающие устройства.

2 В 1979 г. компания Intel разработала новый вид памяти EEPROM Или по-нашему… ФЛЭШ-ПАМЯТЬ

3 Что такое Флэш-память Флэш-память (англ. Flash-Memory) разновидность твердотельной полупроводниковой энергонезависимой перезаписываемой памяти Флэш-память (англ. Flash-Memory) разновидность твердотельной полупроводниковой энергонезависимой перезаписываемой памяти Флэш-память может быть прочитана сколько угодно раз, но писать в такую память можно лишь ограниченное число раз Флэш-память может быть прочитана сколько угодно раз, но писать в такую память можно лишь ограниченное число раз (обычно около 10 тысяч раз).

4 преимущества её энергонезависимость её энергонезависимость более компактна чем CD-ROM, жёсткие диски, DVD дешева (с учётом стоимости устройств чтения-записи) дешева (с учётом стоимости устройств чтения-записи) обеспечивает более быстрый доступ обеспечивает более быстрый доступ

5 малый объём (до 16 Гб ) недостатки

6 Флэш- память съёмнаянесъёмная DVD

7 Сегодня выпускают флэш-память NOR (логика ячеек NOT OR) NAND (логика ячеек NOT AND) в качестве элементарных ячеек хранения информации используются полевые двухзатворные МОП-транзисторы (транзисторы с плавающим затвором).

8 архитектура NOR предпочтительней, поскольку скорость произвольного доступа у нее выше. (например, для хранения программного кода BIOS, мобильных телефонов)

9 обеспечивают более высокую плотность хранения информации, поэтому для записи/хранения большого количества информации используется преимущественно именно эта микросхема (флэш- накопители, карты памяти).

10 МОП (металл-окисел-полупроводник) это самый простой тип полевого транзистора. работает очень медленно высокая степень интеграции (занимают на кристалле микросхемы в 6-9 раз меньшую площадь чем ТТЛ-ранзистор ) иные разновидности ЛИЗМОП (МОП с Лавинной Инжекцией Заряда) с «плавающим» затвором без вывода. МНОП (металл-нитрид-окисел- полупроводник) транзистор с двойным затвором и двойным изолятором из нитридного и оксидного слоёв

11 Процесс записи информации для ячеек NOR сигнал U на плавающий затвор инжектируются (впрыскиваются) электроны, изменяя его заряд

12 Архитектура ячейки NAND

13 запись в ячейках NAND методом туннелирования электронов желтые частицы проходят сквозь барьер; красные частицы перепрыгивают его благодаря полученной дополнительной энергии

14 Процесс стирания информации в ячейках NOR и NAND туннельный эффект: На управляющий затвор подается высокое напряжение противоположной полярности (обратной той, что была), и электроны с плавающего затвора переходят на исток U выс

15 В настоящее время основные усилия разработчиков сосредоточены на наращивании объемов памяти и сокращении размеров носителей с параллельным снижением энергопотребления.

16 Hitachi Архитектура флэш-памяти AND Mitsubishi флэш-память DiNOR ячейки памяти типа MRAM NRAM (Nonvolatile RAM) OUM-технологии

17 Перспективные запоминающие устройства (FRАМ, РFRАМ, МRАМ, OUM)

18 Успехи создания ЗУ на основе полупроводниковой технологии не снимают проблемы дальнейшего совершенствования микросхем памяти. Чтобы прибиться к идеалу, желательно к таким свойствам ЗУ, как высокая емкость, быстродействие и малая потребляемая мощность, добавить и энергонезависимость, которой современные ОЗУ не обладают. Если к такому комплексу качеств прибавить и низкую стоимость, то получатся ЗУ, близкие к идеалу. Пути приближения к идеалу включают в себя попытки использования нескольких новых для технологии ЗУ физических явлений - ферроэлектрических, магниторезистивных.

19 ЗУ типа FRАМ (ферроэлектрические) В ферроэлектрических FRАМ (Ferroelectric RАМ) основой запоминающего элемента служит материал, в кристаллической структуре которого имеется бистабильный атом. Занимая одно из двух возможных пространственных положений ("верхнее" или "нижнее"), этот атом создает в ферроэлектрическом материале внутренние диполи того или иного знака (спонтанная поляризация).

20 С помощью электрического поля можно придать внутреннему диполю тот или иной знак. Под воздействием внешнего электрического поля и при температуре не выше определенной (связанной с точкой Кюри) материал поляризуется, делали выстраиваются упорядоченное состояние материала может отображать двоичные данные 0 и 1. Зависимость поляризации Р от напряжения U имеет петлю гистерезиса, показанную на рис а Через Uс на рисунке обозначены коэрцитивные напряжения, через PR - остаточные поляризации, до сохраняются после снятия электрических полей.

21 ЗУ типа PFRAM (полимерно-ферроэлектрические) ЗУ типа PFRAM (Polimeric Ferroelectric RAM) – разновидность ферроэлектрических ЗУ. Они построены на основе ферроэлектрических материалов – пленок с двумя стабильными состояниями поляризации, полученных около 10 лет назад шведской фирмой Opticom. Над применением таких пленок в схемах ЗУ работает фирма Intel совместно с дочерней компанией указанной шведской фирмы.

22 В пленке, толщина которой меньше 0,1 мкм, образуются ориентированные диполи, которые служат запоминающими элементами, хранящими различные двоичные данные при изменении знака поляризации. Расположенные в полимерной пленке запоминающие элементы размещаются между двумя взаимно перпендикулярными металлическими дорожками, на которые подаются определенные напряжения (рис. 16.3). Индивидуальные биты активизируются возбуждением словарной и разрядной линии, на пересечении которых они находятся. Наличие созданных диполей себя проявляет, и набор чувствительных усилителей в разрядных линиях воспринимает значения битов данных.

23 Рисунок 16.3 Схематическая конструкция полимерно-ферроэлектрического ЗУ.

24 Процессы записи и чтения идентичны по быстродействию и тот, и другой занимают приблизительно по 50 мкс. Эта цифра исключает какой-либо разговор о быстродействии, она на три порядка превышает времена доступа обычных DRAM. Поэтому PFRAM перспективны не в качестве ОЗУ, а для замены дисковой памяти. Подсчитано, что плата PFRAM-памяти размером с кредитную карту по информационной емкости будет эквивалентна 400 тысячам CD. Имеются сообщения о возможности существенного повышения быстродействия PFRAM при новых методах обработки полимерной пленки. Предполагается, что массовое производство PFRAM начнется приблизительно через 5 лет.

25 ЗУ типа MRAM (магниторезистивные) В ЗУ типа MRAM (Magnetoresistive RAM) битам двоичных данных соответ­ствуют участки намагниченности, создаваемые в материалах, обладающих остаточной намагниченностью. Участки с остаточной намагниченностью образуют "микромагнитики", положение полюсов которых задается при за­писи информации. Магнитные ЗУ обладают естественной энергонезависи­ мостью. Магнитные поля отдельных магнитиков обнаруживаются располо­женными у их краев элементами с магниторезистивными свойствами, электрическое сопротивление которых зависит от магнитного поля, окру­жающего эти элементы. Чтение при.этом не является разрушающим.

26 Для создания MRAM можно использовать два типа эффектов так называемый гигантский магниторезистивный эффект (Giant Magnetic-resistive Effect) или туннелирование носителей заряда через тонкий слой, управляемое магнитным полем (в ЗУ типа MTJ, Magnetic Tunnel Junction). В последнее время почти все разработчики предпочли второе направление, на котором мы и остановимся.

27 Конструкция запоминающего элемента типа MTJ включает в себя два ферромагнитных слоя, разделенных тонким слоем диэлектрика, действующим как туннельный барьер (). Конструкция запоминающего элемента типа MTJ включает в себя два ферромагнитных слоя, разделенных тонким слоем диэлектрика, действующим как туннельный барьер ( Рисунок 16.4 ). Электрическое сопротивление такого элемента зависит от создаваемого в тонком слое магнитного поля. Электрическое сопротивление такого элемента зависит от создаваемого в тонком слое магнитного поля. Поле зависит от окружающих диэлектрик двух ферромагнитных слоев если их магнитные моменты параллельны, то сопротивление элемента MTJ минимально, если антипараллельны, то максимально. Чтение осуществляется измерением туннельного тока между магнитными слоями. В этой конструкции разница между сопротивлениями элементов, находящихся в состояниях 0 и I, достигает 50%. Чтение осуществляется измерением туннельного тока между магнитными слоями. В этой конструкции разница между сопротивлениями элементов, находящихся в состояниях 0 и I, достигает 50%.

28 Рисунок 16.4 Схематическая конструкция запоминающего элемента типа MTJ Рисунок 16.4 Схематическая конструкция запоминающего элемента типа MTJ

29 Современные разработки MRAM еще далеки от теоретически достижимых, уровень которых очень высок: время записи 2,3 не, т. е. на три порядка меньше, чем у флэш-памяти, время считывания 3 не, т. е. приблизительно в 20 раз меньше, чем у современных DRAM, число циклов практически неограничено (превышает 1015), потребляемая мощность на порядки меньше, чем у DRAM. Микросхемы обладают повышенной радиационной стойкостью. Фирма Motorola в 2002 г. продемонстрировала MRAM емкостью 1 Мбит (при топологической норме 0,6 мкм). К 2004 г. этой фирмой ожидаются MRAM емкостью 32 Мбит или более. К этому же году намерена выпустить прототипные кристаллы MRAM и фирма Intel.

30 ЗУ типа ОUМ (с использованием фазовых переходов вещества) ЗУ типа OUM (Ovonyx Unified Memory, по названию фирмы Ovonyx) построены на основе физических эффектов, которые уже использовались в памяти на компакт-дисках. В OUM эти же эффекты применены для реали­заций памяти по интегральной технологии. Как и в дисках CD и DVD с перезаписью данных, в памяти OUM применены халкогенидные сплавы. Халкогенид сплав GeSbTe, который может иметь кристаллическое проводя­ щее или аморфное непроводящее состояния. Эти состояния материал может сохранять, а выявлять их можно измерением сопротивления запоминающего элемента. Состояния "кристаллическоеаморфное" взаимно обратимы, их изменения происходят быстро. Эти состояния материал может сохранять, а выявлять их можно измерением сопротивления запоминающего элемента. Состояния "кристаллическоеаморфное" взаимно обратимы, их изменения происходят быстро. В конструкции запоминающего элемента ( ) небольшой объем халкогенида играет роль резистора с программируемым сопротивлением при динамическом диапазоне между значениями низкого и высокого сопротивлений около 100. В конструкции запоминающего элемента ( Рисунок 16.5 ) небольшой объем халкогенида играет роль резистора с программируемым сопротивлением при динамическом диапазоне между значениями низкого и высокого сопротивлений около 100.

31 Фазовое состояние халкогенида программируется пропусканием через элемент импульсов тока, имеющих разные параметры. Управление током про­ изводится с помощью МОП-транзистора. Чтение бита осуществляется путем измерения сопротивления элемента. При записи программируемый материал нагревается до температуры, превышающей точку плавления, и затем быстро охлаждается, что вызывает его переход в аморфное состояние. В кристаллическое состояние элемент переводится нагреванием до температуры ниже точки плавления с последующей выдержкой в ней в течение 50 нс.

32 В элементе памяти с халкогенидом можно программировать сопротивление не только для двух его значений (максимального и минимального), но и для промежуточных, а это означает принципиальную возможность использовать в памяти многоуровневые сигналы и, следовательно, хранить в одном элементе более одного бита данных.

33 Запоминающие элементы OUM просты по конструкции, потребляют малую мощность, энергонезависимы, имеют неразрушающее чтение, допускают до 1012 циклов записи/стирания. Особо можно отметить предполагаемую высокую надежность памяти OUM, что существенно для военной и аэрокосмической аппаратуры. Фирма Ovonics совместно с фирмой Intel разработала тестовый кристалл памяти OUM с топологической нормой 0,18 мкм.

34 Рисунок 16.5 Конструкция и схема запоминающего элемента памяти OUM Рисунок 16.5 Конструкция и схема запоминающего элемента памяти OUM

35 Параметры перспективных микросхем памяти, имеющих наибольшую степень практического освоения, приведены в табл. 1.

36 Презентациювыполнилстудент Гр. ИИТ – 52 Егорова Е.В. Презентациювыполнилстудент Гр. ИИТ – 52 Егорова Е.В.