Перспектива развития. 
История развития оперативной памяти

Итак, несмотря на очевидные достоинства, память имеет серьезные недостатки, препятствующие дальнейшему расширению области ее применения. Поэтому разработчики пытаются найти альтернативные решения в рассматриваемой области. Конечно, их взоры в первую очередь обращены на так называемые наследуемые технологии, то есть на усовершенствование существующих разработок, что не потребует значительных изменений в технологическом процессе производства готовой продукции. Так что можно не сомневаться в том, что фирмы, выпускающие флэш-память, будут стараться использовать весь потенциал этого типа носителей перед переходом на накопители другого типа и продолжат совершенствовать традиционную флэш-технологию.

Однако сегодня на пороге промышленной реализации стоит уже целый ряд альтернативных технологий хранения данных, многие из которых готовы к внедрению и ожидают только благоприятной рыночной ситуации.

FeRAM

Развитие оперативной памяти, пожалуй, бесконечный процесс, целью которого является увеличение частоты работы, ширины шины, а также уменьшение времени доступа, а, в некоторых случаях, и увеличение устойчивости к воздействиям извне, например, радиации. В настоящий момент требования к памяти не изменились, но к перечисленным добавились новые, удовлетворить которые намного сложнее, чем это было возможно ранее. Среди них одним из важнейших является энергонезависимость и возможность встраивать память огромного объема в процессоры. Движение в этом направлении начато уже достаточно давно, и его результатом стало появление таких перспективных технологий, как флэш-память, FeRAM. Оперативная флэш-память позволяет практически бесконечно хранить записанную информацию без необходимости проведения циклов регенерации, которые необходимы для DRAM. Это может принести пользователям многочисленные преимущества, вплоть до моментальной загрузки операционной системы после включения питания компьютера. Принцип действия этого вида памяти основан на зависимости сопротивления материала от приложенного магнитного поля. FeRAM умело сочетает простоту и надежность в эксплуатации DRAM, энергонезависимость MRAM и времена хранения информации флэш-памяти. Поскольку она включает практически все преимущества перечисленных видов памяти, то по праву может называться будущим современных технологий памяти, на чем, собственно, и делают акцент производители. Процесс производства в настоящее время отличается тем, что от момента разработки технологии до момента массового выпуска продуктов проходит очень маленький период времени. Единственным и, пожалуй, главным движущим фактором в этом процессе является выпуск на рынок конкурентоспособного продукта. В этом стремлении выигрывает тот «игрок», который быстрее своих конкурентов выпустит на рынок готовый продукт, удовлетворяющий требованиям потребителей по доступным ценам. FeRAM не является исключением в этом «соревновании». Производители ферроэлектрической памяти разделились на два конкурирующих между собой лагеря. Одна часть, возглавляемая постоянными партнерами в производстве памяти Infineon Technologies AG и Toshibа, разрабатывает технологию памяти, основанную на производственном процессе 1T/1C (1 транзистор / 1 конденсатор) для рынка мобильных устройств, персональных компьютеров и PDA. Производство основано на классе материалов PZT (Provskite lead zirconate titanate), которые были лицензированы фирмой Toshiba у фирмы Ramtron. Infineon также имеет кросслицензионные соглашения с Ramtron относительно использования разработанной этой фирмой технологии производства FeRAM. Технологию PZT у Ramtron также лицензировали фирмы Hitachi и Rohm. Второй фирмой, которая занималась разработкой ферроэлектрической памяти на основе оксида стронциума-висмута-танталум и оксида стронциума-висмута-ниобия, была Symetrix. Далее лицензионные соглашения были заключены между Symetrix и фирмами Matsushita, NEC, Siemens, Motorola, Hynix и Micron. Эти фирмы, главным образом, занимаются разработкой конкурентоспособных продуктов со встроенной FeRAM для рынка процессоров и микроконтроллеров. Основные игроки этой группы — это NEC и Matsushita, которые ведут разработки на основе технологического процесса 2T/2C. Это более ресурсоемкая технология производства памяти по сравнению с 1T/1C.

Введение

дополнительного транзистора и конденсатора в ячейку памяти обуславливает большую стабильность работы, но, в то же время, увеличивает площадь микросхемы той же конфигурации и поднимает цену продуктов, произведенных по такому процессу. Сначала давайте рассмотрим наиболее простой процесс 1T/1C, по которому производится львиная доля современной памяти. Ячейка ферроэлектрической памяти похожа на 1T/1C ячейку DRAM. Единственное отличие заключается в том, что в DRAM одна из обкладок конденсатора заземлена, а в FeRAM она подключена к передающей линии (driveline). Запись в ячейку памяти DRAM происходит следующим образом: на линию данных (bitline) выставляется значение сигнала, который следует записать в конденсатор. Для записи 1 на линию данных подается положительное напряжение питания Vdd. После этого на управляющую линию (wordline) подается сигнал, который открывает полевой транзистор. Конденсатор заряжается, и мы имеем сохраненный бит информации. В ячейке FeRAM запись 1 происходит другим образом. Для этого на передающую линию подается положительное напряжение питания, линия данных заземляется, а полевой транзистор находится в открытом состоянии. Бинарной «1» соответствует точка 1 на графике петли гистерезиса Запись «0» происходит подобным образом. В DRAM линия данных подключается к земле, а транзистор открывается. В этом случае конденсатор полностью разряжается, что и соответствует бинарному «0». В FeRAM запись 0 происходит после подачи положительного напряжения питания на линию данных. В этом случае передающая линия подключается к земле, а транзистор держится в открытом состоянии. Подводя итог; под различиями в работе ячеек DRAM и FeRAM, можно сказать, что иной принцип работы ячейки ферромагнитной памяти является результатом того, что бинарным «1» и «0» соответствуют отрицательное и положительное значения поляризации, а не нулевой и единичный заряд конденсатора, как это происходит в случае с DRAM. Значение ячейки памяти FeRAM можно определить после подачи положительного напряжения питания Vdd на передающую линию. Если начальная поляризация ферромагнетика негативная (позитивная), то чтение ячейки возвращает маленькое (большое) значения сигнала на линии данных. Одним из негативных свойств ячейки ферромагнитной памяти является то, что, после чтения содержимого, данные в ней перестают сохраняться. То есть, после чтения ячейки, в ней необходимо обновить значение поляризации.

Ячейка ферромагнитной памяти, производимая по схеме 2T/2C, состоит из двух ячеек 1T/1C. Также как и ячейка 1T/1C, ячейка 2T/2C имеет управляющую линию (WordLine) и передающую линию, но данные с конденсаторов считываются через раздельные линии данных. За счет этого достигается большая надежность хранения информации. А становится возможным это благодаря тому, что данные, хранящиеся в двух конденсаторах всегда противоположные. При этом напряжение между шиной данных и комплиментарной ей всегда будет либо V0 — V 1, либо V1 — V0, где

V — напряжения на линии данных и комплиментарной ей, C0 и C1 — емкости конденсаторов, из которых состоит ячейка, CBitLine — паразитная емкость шины данных, а Vdd — положительное напряжение питания. Значения напряжения между линиями зависит от того, где хранится «1» в C0 или C1. Сигнал с конденсаторов подается на усилитель, после которого считывается значение ячейки 2T/2C. Существенное увеличение размеров ячейки 2T/2C также играет немаловажную роль. Это приводит к тому, что в настоящий момент не может быть достигнуто высокой интеграции такой памяти. Наибольшие структуры, произведенные по такой технологии, имеют объем 1 мегабит.

С другой стороны, повышенная надежность таких систем позволяет с успехом использовать их в нечеловеческих условиях, в условиях безвоздушного пространства. Данная система смогла бы работать в космосе, так как может выдерживать изрядные доли радиации. FeRAM прекрасно зарекомендовала себя в таких условиях, что открывает неизведанные горизонты для использования этой технологии. Энергонезависимость, а, следовательно, и малое потребление энергии становятся еще одним преимуществом FeRAM в борьбе за лидерство на рынке технологий. В настоящий момент мы наблюдаем процесс коммерциализации космических исследований, суть которого заключается не только в запуске коммерческих космических аппаратов, но и в участии транснациональных корпораций в национальных космических программах.

Итак, о продуктах, выпущенных на рынок производителями. Toshiba совместно с Infineon Technologies выпустила прототип 8-мегабитной микросхемы памяти FeRAM. 32-мегабитная микросхема в начале 2002 года. В настоящий момент ведутся разработки 64-мегабитных и 128-мегабитных микросхем памяти. 32-мегабитные кристаллы будут производится по 0.25-микронному процессу, с последующим переходом на 0.20-микронный процесс. 8-мегабитные кристаллы имеют площадь 76 квадратных миллиметров и цикл записи информации от 100 до 160 нс. Фирмы NEC и Fujitsu, занимающиеся разработками встраиваемой FeRAM для процессоров и микроконтроллеров по процессу 2T/2C, достигли не таких значительных успехов на пути увеличения объема памяти, как фирмы Infineon и Toshiba. Последние достижения NEC в этой области — это 1-мегабитная структура, которая, как ожидается, будет встраиваться в смарт-карты. Структура будет производиться по 0.35-микронному процессу, и иметь площадь 18.7 квадратных миллиметра. Это не значит, что NEC существенно отстала в процессе производства от своих конкурентов, просто размеры ячейки 2T/2C, значительно (практически, в 2 раза) превосходят размеры ячейки 1T/1C, на основе которых производят память Toshiba и Infineon Technologies.

Подводя итог всему вышесказанному, можно выделить то, что FeRAM имеет неоспоримые преимущества над существующими технологиями. С другой стороны, память имеет ряд существенных недостатков. Большинство из них (старение и усталость материала, предпочтение диэлектриком значения сигнала и релаксация) — это результат особых свойств ферромагнитных материалов, и от них в настоящий момент достаточно сложно избавиться. Увеличившаяся сложность производства ферроэлектрической памяти объясняется, скорее, особенностью хранения информации в FeRAM в отличие от DRAM. Производственный процесс 2T/2C позволяет достичь большей надежности памяти, которая может быть применима в условиях космоса, однако в несколько раз усложняет производство памяти по такому процессу и увеличивает цену FeRAM.