introduction
Ces dernières années, la technologie de stockage non volatile a fait des progrès significatifs dans de nombreux aspects, ce qui a ouvert de nouvelles opportunités pour l'amélioration de l'efficacité énergétique du stockage des systèmes informatiques. Chercheurs Nous suggérons d'utiliser la nouvelle technologie NVM pour remplacer la technologie de stockage traditionnelle afin de répondre à la demande d'efficacité énergétique de stockage élevée dans le développement de la technologie informatique. Une variété de nouvelles technologies NVM représentées par la mémoire vive à changement de phase (PCRAM) ont attiré l'attention des chercheurs nationaux et étrangers en raison de leur intégration élevée et de leur faible consommation d'énergie. En particulier, la PCRAM a le potentiel d'être à la fois une mémoire principale et une mémoire externe en raison de ses caractéristiques non volatiles, adressables par octet et autres. Sous son influence, la frontière entre mémoire principale et mémoire externe devient progressivement Le flou peut même entraîner des changements majeurs dans la future architecture de stockage. Par conséquent, la PCRAM est considérée comme l'une des nouvelles technologies NVM les plus prometteuses pouvant remplacer complètement la DRAM.
Développement de la technologie
Les premières recherches sur la technologie PCRAM remontent à 1917. À cette époque, Waterman a publié un article disant qu'il pourrait progressivement modifier la conductivité du sulfure et le rendre différent de deux manières. Dans l'état de phase, il présente deux propriétés électriques différentes, une résistivité élevée et une faible résistivité, qui sont des caractéristiques importantes de certains matériaux à changement de phase. Cependant, en raison de la limitation des conditions de recherche scientifique à l'époque et du manque de technologie appropriée pour réaliser la fusion et la trempe des matériaux à changement de phase, Waterman n'a pas été en mesure de révéler davantage les changements dans la structure de réseau microscopique des matériaux à changement de phase, et a été incapable d'inverser la conductivité des matériaux à changement de phase. . Bien qu'en raison de la conductivité irréversible des matériaux à changement de phase et d'autres facteurs, cette recherche n'a pas suffisamment attiré l'attention des universités et de l'industrie à cette époque. Les chercheurs ont choisi d'utiliser d'autres technologies pour stocker des données (telles que les cartes perforées mécaniques, la mémoire à noyau magnétique dans les années 1950, etc.), mais le travail de pionnier de Waterman a fait des matériaux à changement de phase une nouvelle branche de la science des matériaux de stockage, qui a attiré l'attention de académique et industriel. En 1962, Pearson et al. a découvert le phénomène de changement de phase dans le verre tellure-arsenic, et a écrit un article pour présenter formellement la théorie du « changement de phase ». En 1966, Ovshinsky a déposé pour la première fois un brevet pour la technologie de stockage à changement de phase. En 1968, les résultats de la recherche d'Ovshinsky ont permis de briser le goulot d'étranglement de la conductivité irréversible dans l'application des matériaux à changement de phase au domaine du stockage de données et ont publié un article sur la recherche sur la théorie du changement de phase dans lequel il décrivait en détail. Sous l'action d'un champ électrique, ce type de matériau à changement de phase peut basculer rapidement et de manière réversible entre l'état de phase amorphe et l'état de phase cristalline, et il présente des caractéristiques de résistance élevée dans l'état de phase amorphe, et présente des caractéristiques de résistance élevée dans la phase cristalline Etat. Caractéristiques de faible résistance, de sorte que l'état de phase amorphe et l'état de phase cristallin peuvent être utilisés pour représenter respectivement les données "0" et "1", qui sont utilisées pour stocker des informations binaires, ce qui a ouvert un précédent dans la recherche de matériaux à changement de phase et dispositifs de mémoire à changement de phase. En 1970, Neale et Moore ont publié un article décrivant en détail un périphérique de stockage PCRAM d'une capacité de 256 bits.
Actuellement, des puces qui réalisent toutes les fonctions de lecture, d'écriture et d'effacement ont été développées dans le pays et à l'étranger, et la PCRAM est progressivement entrée dans le processus d'industrialisation. Les substances peuvent exister dans une variété de phases, et les matériaux à changement de phase ont au moins deux phases : une phase amorphe (la structure moléculaire est désordonnée) et une phase cristalline (la structure moléculaire est nette et ordonnée). Les matériaux à changement de phase dans la phase amorphe et la phase cristalline ont des différences très évidentes dans les propriétés optiques et électriques, respectivement. Par conséquent, les gens utilisent la différence dans les caractéristiques des matériaux à changement de phase dans différentes phases pour réaliser le stockage de données, et utilisent la différence de propriétés optiques des matériaux à changement de phase pour réaliser le stockage de données est des disques optiques à changement de phase (CD, DVD, disque Blu-ray , etc.), et c'est la PCRAM qui utilise la différence de propriétés électriques des matériaux à changement de phase pour réaliser le stockage de données. À l'heure actuelle, le matériau à changement de phase le plus étudié et le plus mature dans les universités et l'industrie sont les alliages de la série Ge-Sb-Te. Ces matériaux à changement de phase ont non seulement d'excellentes propriétés optiques, mais également des propriétés électriques exceptionnelles. La différence de résistivité entre la phase amorphe et la phase cristalline est très grande, et elles ont le potentiel pour un stockage multi-valeurs, en particulier dopées avec In, Sn, Bi et Si. Après les éléments tels que C et N, tous les aspects des caractéristiques ont été considérablement améliorés, ils ont donc été largement utilisés dans la recherche PCRAM et la préparation de dispositifs. De plus, la structure des périphériques PCRAM est différente et il y aura des différences subtiles dans la réduction des capacités et de la consommation d'énergie.
Structure et principe de l'appareil
Les principales structures de dispositifs de PCRAM actuellement étudiées comprennent la structure de type T (c'est-à-dire la structure en champignon), la structure μ-Trench, la structure de contact de bord et la structure planaire. Parmi eux, la structure en forme de T est une structure de dispositif largement utilisée dans les universités et l'industrie, et elle est principalement composée de trois parties : une électrode inférieure, une couche de matériau à changement de phase et une électrode supérieure. La cellule mémoire PCRAM de la structure en forme de T est représentée sur la figure 1.
La fonction de stockage de données de la PCRAM est d'appliquer des impulsions électriques d'intensités différentes et de durées différentes à un ou plusieurs films de chalcogénure dans le dispositif, afin qu'ils puissent être présentés sous l'action de différents degrés de chaleur Joule de courant. Différentes caractéristiques de résistance à atteindre. Une fois que le matériau à changement de phase a absorbé une certaine quantité d'énergie thermique, il réalisera une transition mutuelle rapide entre la phase amorphe et la phase cristalline, et montrera une différence de résistivité très évidente. Le matériau à changement de phase présente des caractéristiques semi-conductrices à l'état de phase amorphe et a une valeur de résistance plus élevée ; à l'état de phase cristalline, il présente des caractéristiques semi-métalliques et a une valeur de résistance plus faible. Par conséquent, les données à stocker peuvent être représentées par les différentes caractéristiques de résistance du matériau à changement de phase dans la phase amorphe et la phase cristalline.
Caractéristiques
Capacité de miniaturisation
La PCRAM a une meilleure capacité de miniaturisation. La recherche montre que sur la base du nœud de processus de 20 nm, la densité de stockage de la technologie PCRAM est environ 16 fois supérieure à celle de la technologie DRAM. En particulier, les cellules de mémoire PCRAM ordinaires réalisent un stockage de données binaires selon les différentes caractéristiques de résistance du matériau à changement de phase dans les deux phases de la phase amorphe et de la phase cristalline. Cependant, certains matériaux à changement de phase ont d'excellentes propriétés électriques. La différence de résistance entre la phase amorphe et la phase cristalline peut atteindre 5 ordres de grandeur, et elle a un potentiel de stockage multi-valeurs. La technologie de stockage multi-valeurs PCRAM consiste à utiliser l'énorme différence entre la résistance élevée et faible des matériaux à changement de phase dans différents états de phase pour atteindre deux ou plusieurs états de stockage sur une seule cellule de mémoire, ce qui peut effectuer le stockage sans changer la technologie de processus. L'effet de multiplication de la capacité des cellules, qui peut améliorer considérablement l'intégration de l'appareil et réduire considérablement le coût de stockage, est l'un des axes de recherche importants de la technologie de stockage PCRAM actuelle. La cellule de mémoire PCRAM réalise la distribution de résistance du stockage à un seul niveau (c'est-à-dire, stockage binaire) et du stockage de deuxième niveau (stockage quaternaire), et la conversion entre les cellules de stockage à un seul niveau et les cellules de stockage de deuxième niveau est illustrée à la figure 2.
Non-volatilité
PCARM a une bonne non-volatilité. Des études ont montré que la PCRAM a non seulement une très faible consommation d'énergie de fuite, mais que l'état du matériau à changement de phase est également très stable. Perte de sexe.
Comparaison
La recherche montre que la PCRAM présente les avantages d'une grande capacité, d'une intégration élevée, d'une vitesse rapide, d'une faible fonction et d'un faible coût, particulièrement compatible avec le nouveau processus CMOS, au niveau du nœud technologique de 5 nm. valeurs d'application. C'est l'un des nouveaux types de NVM à fort potentiel de développement. À l'heure actuelle, la PCRAM a été progressivement produite en série et mise en application commerciale. Cependant, la préparation de matériaux à changement de phase de meilleure qualité et la forte consommation électrique générée par la conversion entre la phase cristalline et la phase amorphe du matériau à changement de phase sont des contraintes. Le goulot d'étranglement de ses applications commerciales. En particulier, le grand délai d'opération d'écriture (60ns ~ 120ns, environ 5 à 10 fois le délai d'opération de lecture), la consommation d'énergie d'opération d'écriture élevée (environ 10 fois la consommation d'énergie d'opération de lecture) et la faible endurance d'écriture sont urgents pour le développement ultérieur des problèmes de PCRAM à résoudre.
En résumé, par rapport à la SRAM et à la DRAM, la PCRAM présente les avantages d'une densité de stockage non volatile et plus élevée, d'un besoin de rafraîchissement inutile et d'une interférence anti-rayonnement. Par rapport à Flash, PCRAM présente les avantages d'une vitesse de lecture et d'écriture rapide, d'une longue durée de vie et d'opérations sur les bits ; par rapport à d'autres nouvelles mémoires non volatiles, la PCRAM a une forte durabilité, une faible consommation d'énergie ou une grande capacité, un processus de fabrication simple, une recherche relativement plus mature, etc. Avantages : par rapport à la FeRAM, elle présente les avantages d'une densité de stockage élevée et non destructive opération de lecture ; Comparé à STT-MRAM, il présente les caractéristiques d'une faible consommation d'énergie et d'une forte stabilité ; Comparé à la RRAM, il présente les avantages d'une préparation de matériau mature et d'une densité de stockage. Des mérites plus élevés. En particulier, une réduction supplémentaire de la DRAM et de la FLASH entraînera un goulot d'étranglement technique important pour la compatibilité avec la nouvelle technologie CMOS, tandis que la PCRAM est compatible avec la nouvelle technologie CMOS et possède de bonnes capacités de mise à l'échelle. Des études ont montré qu'il peut continuer pendant plus de quatre générations après le nœud technologique de 40 nm. Les avantages de la PCRAM ont jeté des bases solides pour son application à grande échelle dans le domaine du stockage. C'est l'une des nouvelles technologies de stockage les plus prometteuses et la plus susceptible de remplacer complètement la DRAM. Cependant, la PCRAM présente également des lacunes évidentes, en particulier la vitesse d'écriture n'est pas comparable à celle de la DRAM, et l'endurance en écriture est également très différente de celle de la DRAM. En particulier, une mauvaise durabilité en écriture est l'un des principaux obstacles auxquels se heurte son application à grande échelle dans les systèmes informatiques. À l'heure actuelle, des chercheurs nationaux et étrangers étudient des solutions pour y faire face.
Applications
Par rapport aux périphériques de stockage traditionnels, les nouvelles technologies de stockage telles que FeRAM, MRAM, RRAM et PCRAM ont une intégration élevée, une faible consommation d'énergie, une vitesse d'accès en lecture et en écriture rapide, et volatile, une consommation d'énergie nulle ou faible, un adressage au niveau de l'octet, une petite taille et la résistance aux séismes, ainsi que de nombreuses autres excellentes caractéristiques, ont apporté de nouvelles opportunités pour le développement d'ordinateurs et l'amélioration de l'efficacité énergétique du stockage, et ont favorisé la transformation de la structure du système informatique. En particulier, en raison de ses avantages uniques, la PCRAM a pris la tête de la production de masse et des applications commerciales. Il occupe une position très importante sur le nouveau marché des centres de données et de l'électronique grand public et est très susceptible de devenir la technologie de stockage grand public de nouvelle génération.