В наши дни существует не один вид памяти, каждый из которых применяется для той или иной задачи. Они со своими задачами справляются достаточно хорошо, но есть ряд недостатков, которые не дают возможность назвать какой-либо из этих вариантов памяти универсальным. Если добавить сюда проблему колоссального роста данных во всем мире и жажду человечества к энергосбережению, то необходимо создать что-то совершенно новое. Сегодня мы познакомимся с исследованием, в котором ученые представили новый тип памяти, объединяющий в себе достоинства как флеш, так и DRAM памяти. Какими «плюшками» обладает данное новшество, какие технологии были задействованы для его создания и какие перспективы? Об этом мы узнаем из доклада исследовательской группы. Поехали.

Основа исследования

Типов памяти существует далеко не один, и все они были созданы для конкретной задачи: SRAM (статическая память с произвольным доступом) для кеша, DRAM (динамическая память с произвольным доступом) для активной памяти, флеш-память для хранения данных и т.д. Однако, что вполне ожидаемо, у каждого из вышеперечисленных типов памяти есть свои персональные недостатки.

Например, флеш-память, представляющая собой совокупность МОП-транзисторов (металл-оксид-полупроводник) с плавающим затвором (FG) для хранения заряда. Данные представлены в таком варианте как количество заряда, удерживаемого в FG, который изолирован оксидными слоями.

Недостаток, по словам ученых, заключается в том, что для записи и стирания требуется достаточно большое напряжение для контроля управляющим затвором (CG), как правило, около ± 20 В². Процесс этот медленный, а механизм отказа, индуцированный скачком напряжения, приводит к сокращению срока службы устройства.

Несмотря на этот минус, есть достаточно внушительный плюс — считывание данных происходит посредством проверки проводимости канала, для чего нужно совсем небольшое напряжение. Благодаря этому данные остаются нетронутыми, что называют неразрушающим считыванием.

DRAM, в свою очередь, значительно быстрее флеш-памяти, потому и используется для активных вычислительных процессов, так сказать. Недостаток DRAM в том, что данные теряются из ячеек при считывании. Помимо этого возникают утечки заряда из конденсаторов, используемых для хранения данных.

SRAM также достаточно быстрый тип памяти и данные не так теряются, как в DRAM. Однако, как правило, используется по 6 транзисторов на ячейку, то есть нужно много площади на чипе.

Представив вышеописанные недостатки классических типов памяти, ученые подчеркивают важность поиска альтернативного или гибридного варианта, который будет лишен подобных проблем, при этом совместит в себе все преимущества своих предшественников.

В данном труде исследователи представляют нашему вниманию свое видение нового типа памяти — нового низковольтного, полупроводникового, основанного на заряде, энергонезависимого запоминающего устройства компактной формы, работающего при комнатных температурах. Исследователи окрестили свое детище «универсальной памятью» (простенько, но со вкусом).

Устройство представляет собой память с плавающим затвором, созданную на базе гетероструктур InAs/AlSb/GaSb, где InAs применяется и как плавающий затвор, и как канал без переходов.

Ученые предоставили результаты моделирования и фактических испытаний прототипа с одной ячейкой.

Результаты исследования

Изображение №1

На изображении выше представлены схематический вид устройства и снимок ПРЭМ (просвечивающего растрового электронного микроскопа).

Как и в случае флеш-памяти, в данном устройстве заряд хранится в FG, но при этом отсутствуют оксидные барьеры. Вместо этого было использовано смещение зоны проводимости в так называемом 6.1-A семействе полупроводников. То есть устройство, лежащее в основе ячейки памяти, больше похоже на транзистор с высокой подвижностью электронов (HEMT), чем на МОП-транзистор. InAs образует канал, который не содержит переходов. Однако было применено n-легирование, дабы компенсировать непреднамеренное фоновое легирование и удержать Ga вакансии в нижележащем GaSb. Обе эти задачи естественным образом делают слои p-типа.

p-n-переход* — участок соприкосновения двух полупроводников с разными типами проводимости — p (дырочной) и n (электронной).

Изображение №2

График 2а демонстрирует смоделированное выравнивание энергетических зон, а также плотность электронов и дырок в слоях при отсутствии смещения. Теоретические данные в совокупности с моделированием демонстрируют, что на интерфейсе InAs и GaSb зона проводимости InAs находится ниже валентной зоны GaSb. А это приводит к перемещению электронов из слоя GaSb в слой InAs, после чего в GaSb остаются дырки.

Дырка* — незаполненная валентная связь, проявляющая себя как положительный заряд, равный заряду электрона.

Накопленные электроны/дырки видны на границе между InAs и GaSb, но электроны в канале InAs не связаны с интерфейсом InAs / GaSb, при этом их плотность наблюдается по всему InAs. В проводимости всего канала преобладают электроны в InAs, которые будут иметь более высокую подвижность и более высокую плотность, чем дырки в GaSb.

Внутренний FG слоя InAs изолирован от канала InAs барьером AlSb (15 нм). В то же время, двойные квантовые ямы* InAs и три барьера AlSb выполняют роль резонансно-туннельного барьера между FG и CG InAs с n-легированием.

Квантовая яма* — ограничивает движение частиц в двумерном измерении (вместо трехмерного), из-за чего они могут двигаться только в плоском слое.

Следовательно, в исследуемом устройстве электроны, хранящиеся в FG слоя InAs, изолированы аномально большим разрывом зоны проводимости с AlSb. Это значит, что можно получить систему ограничения заряда, которая будет иметь время хранения при комнатной температуре, равное 1014 лет.

Самым важным аспектом работы исследуемого устройства является факт того, что две квантовые ямы (QW1 и QW2) в тройном резонансно-туннельном барьере имеют разные толщины, то есть имеют место ограниченные состояния с разными энергиями (2a). Поскольку QW2 тоньше QW1, единственный доступный уровень энергии для электронов в QW2 имеет более высокую энергию, чем эквивалент в QW1. Кроме того, состояние в QW1 имеет значительно более высокую энергию, чем состояние в соседнем CG участке. Таким образом предотвращается прямое туннелирование электронов между CG и FG, а барьер перехода электронов из CG в FG (или наоборот) определяется смещением зоны проводимости InAs / AlSb на 2,1 эВ, то есть заряд не будет течь к/от FG.

Основное и первичное возбужденное состояния в плавающем затворе (FG) расположены значительно ниже энергетических состояний внутри обеих QW. Следовательно, когда не применяется никакого напряжения, электроны заперты внутри FG, т.е. тройной резонансно-туннельный барьер становится непреодолимым для электронов в/из FG. Таким образом достигается энергонезависимость.

Если же применить незначительное напряжение к управляющему затвору (CG), то можно настроить связь энергетических состояний внутри резонансного туннельного барьера, что позволит электронам свободно проходить из (2b) или в (2с) плавающий затвор.

Во время экспериментов все операции чтения, записи и стирания проводились в нескольких ячейках (размер затвора — 10 х 10 мкм) в защищенном от электростатики темном боксе при комнатной температуре. Все операции, включая записи и стирание, выполнялись при смещении ? 2,6 В, что примерно на порядок ниже, чем необходимо для полноценной работы с ячейкой флеш-памяти, подчеркивают исследователи. Стирание выполнялось путем смещения управляющего затвора (V^E_CG-S) на +2.5 или +2.6 В между CG и источником, что приводило к состоянию «0».

На изображении 2b показано смоделированное выравнивание энергетических зон, полученное при напряжении стирания +2,6 В. При таких обстоятельствах вычисленный уровень энергии электронов в QW1 ниже, чем уровень в QW2, в то время как оба находятся ниже первого возбужденного состояния и близки к уровню энергии основного состояния в FG. Результатом этого является стирание, то есть поток электронов от FG к CG с последующим истощением FG. Такой же принцип работает и для операции записи: V^W_CG-S = -V^E_CG-S для увеличения заряда в FG (состояние «1»).

График 2с это смоделированная энергетическая зона, когда для записи данных используется смещение управляющего затвора: V^W_CG-S = ?2.6 В. В этом случае энергетические уровни в QW1 и QW2 практически совпадают, что приводит к сильной связи этих состояний, резонансному туннелированию и потоку электронов из CG в FG.

Из-за емкостной связи проводимость канала зависит от количества заряда, хранящегося в FG, поэтому чтение данных осуществляется посредством измерения тока затвор-исток при фиксированном напряжении затвор-исток.

Повышение заряда в FG, т.е. состояние «1», уменьшает заряд в канале, что приводит к снижению его проводимости. В случае состояния «0» происходит обратный процесс. Считывание данных можно осуществить и без какого-либо смещения к CG, но напряжение необходимо для индивидуальной выборки устройств в массиве ячеек. Кроме того, напряжение должно генерировать электрическое поле по резонансно-туннельному барьеру, что сделает возможным переход заряда из/в FG. Для достижения этих задач потребуется всего лишь ~ 2,5 В.

Характеристики универсальной памяти

Во время практических испытаний чтение было выполнено с нулевым смещением на CG и V_S-D = 1.0 В. Однако, по заявлениям ученых, можно было применить и меньшее напряжение для успешного чтения.


Изображение №3

На изображении 3а показана последовательность операций стирание-чтение-запись-чтение. Главной особенностью последовательности является операция чтения после каждого шага стирания или записи.

На изображении 3b показана более усложненная последовательность, в которой после каждой операции стирания и записи идет не одна операция чтения, а несколько. Таким образом исследователи демонстрируют то, что операция чтения имеет неразрушающий характер.

Между состоянием «0» и «1» наблюдается четкое отличие во всех последовательностях. Однако на 3b имеются признаки симметричного восходящего сдвига в I_S-D по мере увеличения числа операций. Пока причина такого поведения неясна, но ученые намерены исследовать этот аспект в дальнейших трудах. А вот на 3а такого не наблюдается, поскольку напряжение для стирания/записи немного ниже.

После нескольких сотен операций записи и стирания, а также множества операций чтения во время нескольких тестовых практических испытаний ученые не обнаружили никаких признаков повреждения устройства.

Важной особенностью всех типов памяти, которые основаны на хранении заряда, является энергия переключения, определяемая зарядной энергией конденсатора.

Сходство фундаментальных основ технологии флеш-памяти и исследуемой универсальной памяти наталкивает на сравнение этих двух типов памяти. Если предположить, что у двух устройств этих двух типов одинаковая емкость при одинаковом размере затвора, то энергия переключения универсальной памяти будет в 64 раза меньше, чем у флеш-памяти. Эти удивительные цифры также говорят о превосходстве универсальной памяти и над DRAM.

По теоретическим оценкам емкость CG-FG составляет порядка 10^-12 F для устройства размером 10 х 10 мкм, а энергия переключения равна примерно 2 х 10^-12 Дж. Уменьшение физического размера устройства резко уменьшает энергию переключения до 10^-17 Дж для устройства размером 20 нм, а это в 100 раз меньше, чем для DRAM, и в 1000 раз меньше, чем для флеш-памяти. А это, по смелым заявлениям исследователей, весьма уникальные характеристики.

На изображении 3с показаны некоторые операции записи-стирания из 3b, где видны отличия состоянии «0» и «1»: последовательные измерения чтения после стирания дают немного меньший I_S-D для состояния «0». Противоположная ситуация наблюдается при последовательных измерениях чтения после записи, а точнее I_S-D немного больше.

Данный эффект ученые связывают с изменчивостью (волатильностью) данных. Для изучения этого ученые выполнили последовательность операции чтения в течение длительного периода времени для каждого состояния памяти (изображение №4).


Изображение №4

Оба состояния «0» и «1» демонстрировали начальное быстрое затухание, которое согласуется с тем, что видно на 3с. Но после этого происходят гораздо более медленные изменения, так что в течение всего времени наблюдения соответствующие состояния «0» и «1» четко различимы.

Также был проведен еще один эксперимент (вставка на изображении №4), который показывает предельное насыщение экспоненциальных затуханий и различимых состояний «0» и «1» во времени.

Существование двойного экспоненциального затухания означает, что в основе деградации состояний лежат сразу несколько механизмов. Среди возможных вариантов ученые выделяют туннелирование через дефектные состояния в барьерах AlSb, тепловое возбуждение электронов через узкую запрещенную зону InAs и рекомбинацию с термически генерируемыми дырками.

Оценка емкости устройства и примененного напряжения для записи/стирания говорит о том, что во время операции записи и стирания из/в плавающий затвор переносится примерно 107 электронов. Это достаточно много, но негативного влияния практически не наблюдается.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад исследовательской группы.

Эпилог

Ученым удалось не только разработать новый тип памяти, но и провести успешные первые практические испытания энергонезависимого, основанного на заряде устройства компактного размера при комнатной температуре. Ученым также удалось совместить энергонезависимость и низковольтное переключение путем квантово-механических свойств асимметричного тройного резонансно-туннельного барьера. Исследователи заявляют, что их устройство можно масштабировать, при этом не теряя его достоинства.

Времена меняются, меняются и технологии. Флеш-память, SRAM и DRAM достаточно долго занимали господствующее положение среди устройств памяти, однако это может измениться, если разработка универсальной памяти продолжится с таким же успехом, как и в данном исследовании. Данная технология позволит сильно сократить энергопотребление устройств, оснащенных ею, а также продлить их срок службы и повысить производительность.

Дальнейшие исследования, запланированные авторами, покажут насколько революционной является память, столь гордо названная учеными универсальной.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята!

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?