Для расширения границ возможностей микроэлектроники для растущих запросов человечества нужны новые компоненты, способные работать как при экстремально низких температурах, так и при экстремально высоких. В первом случае открывается возможность сопряжения классических компьютеров и квантовых платформ. Во втором — появляется путь к работе на экстремальных глубинах, на гиперзвуке и в космосе, например, в системах управления двигателями ракет. И это важно.

Источник изображения: University of Pennsylvania via TechXplore.com

Группа учёных из Пенсильванского университета опубликовала в журнале Nature Electronics статью, в которой сообщила о разработке и создании прототипа сегнетоэлектрической энергонезависимой памяти (ferrodiode), способной работать при нагреве до 600 °C в течение 60 часов подряд.

Эта память важна для сочетания с электроникой на основе карбида кремния, который в теории тоже способен выдерживать рабочие температуры до 600 °C включительно. Теоретический предел работы кремниевой электроники составляет 125 °C. Логика на карбиде кремния в сочетании с только что представленной памятью на сегнетоэлектрических диодах позволит создавать относительно производительные вычислительные платформы и даже платформы с ИИ для спуска оборудования на глубину до 100 км под поверхность земли или для работы на поверхности той же Венеры.

Созданный в Университете Пенсильвании 45-нм прототип сегнетоэлектрической энергонезависимой памяти представляет собой синтезированное соединение AIScN (l0.68Sc0.32N). Экспериментальная ячейка памяти была протестирована в лаборатории при нагреве до 600 °C и оставалось работоспособной с напряжением питания ниже 15 В (сохраняла данные после снятия внешнего электрического поля). При этом элемент памяти демонстрировал «быстрое» переключение между состояниями, обещая производительную работу в составе будущих высокотемпературных микроэлектронных решений.

Как стало известно источнику, на прошедшей в декабре конференции IEDM 2023 компания Micron за закрытыми дверями сообщила о разработке и применении кристалла памяти FeRAM огромной ёмкости. Память FeRAM производится около 20 лет, но это традиционно чипы малой ёмкости от 8 до 128 Мбит. Разработка Micron на этом фоне поражает воображение ёмкостью кристалла 32 Гбит, что можно сравнить с восходом новой энергонезависимой памяти.

Фрагмент документа Micron с презентации двухслойной памяти FeRAM. Источник изображения: https://blocksandfiles.com

Память FeRAM работает быстрее памяти NAND. По этому показателю она приближается к оперативной памяти DRAM. При этом чипы FeRAM сохраняют заряд в ячейках даже без подачи питания на них, как и прочая энергонезависимая память. Также память FeRAM более устойчива к износу, что снова делает её предпочтительнее для использования в устройствах для хранения данных. Наконец, FeRAM не боится радиации, магнитных полей и скачков температуры, что предопределило её судьбу оказаться в станках, приборах и в бортовом оборудовании аэрокосмической отрасли.

Несмотря на большой набор преимуществ, память FeRAM не стала массовым явлением. Плотность размещения ячеек у неё очень и очень низкая, и массовая память NAND с её кристаллами колоссальной ёмкости не дала FeRAM никакого шанса проникнуть в область хранения данных. Впрочем, это не удалось даже памяти 3D XPoint (торговая марка Intel Optane), которую Micron разработала вместе с Intel. Доступность и дешевизна NAND сыграла свою негативную роль в печальной судьбе и этой, казалось бы, перспективной энергонезависимой памяти.

Нетрудно представить, что неформальный анонс 32-Гбит кристалла FeRAM компанией Micron может считаться знаменательным событием. Сайт Blocks & Files приводит фрагмент изображения документа с презентации чипа памяти, который недоступен для публичного просмотра.

По словам Micron, чипы FeRAM большой ёмкости подтолкнут развитие генеративных моделей искусственного интеллекта. Они работают быстрее NAND и обладают колоссальной износостойкостью. Опытный чип Micron выдерживает до 10¹⁵ циклов перезаписи. Это на несколько порядков больше, чем у конкурирующих чипов FeRAM компаний Fujitsu, Infineon, SK Hynix и Toshiba, не говоря о жалких тысячах циклов, если мы говорим об устойчивости к износу чипов NAND. Кстати, новую память компания называет NVDRAM (non-volatile dynamic random access memory). Назвать её NVRAM, очевидно, она не решилась, чтобы её FeRAM не путали с другими типами энергонезависимой памяти.

Заявленная компанией скорость записи чипов FeRAM составляет 70–120 нс, тогда как цикл записи NAND приближается к 300 мкс. Время удержания данных в памяти FeRAM (заряда в ячейке) достигает 10 лет.

Можно предположить, что компания Micron получила доступ к патентам и технологиям FeRAM после приобретения активов японской компании Elpida в 2013 году. Сама Elpida этот тип памяти не развивала, но принадлежащие ей на тот момент заводы тайваньских Inotera Memories и Nanya Technology были раньше в собственности компании Infineon и выпускали чипы памяти FeRAM.

Переключающий элемент FeRAM обычно выполнен из пьезокерамики в виде цирконат-титаната свинца (PZT). Этот материал сохраняет поляризацию даже после снятия внешнего управляющего сигнала — электромагнитного поля. Грубо можно сказать, что каждая ячейка FeRAM состоит из управляющего транзистора и пьезокерамического конденсатора. Именно вкрапление пьезокерамического элемента делает ячейку очень большой. Как эту проблему решила Micron, не сообщается.

До сих пор компьютерная память с изменением фазового состояния в основном разрабатывалась с использованием халькогенидов — группы материалов, которые демонстрируют обратимые электрические изменения при переходе между кристаллическим и аморфным состояниями. В недавно опубликованном исследовании сообщается о термически обратимом переключении удельного электрического сопротивления при комнатной температуре в слоистом никелате, что потенциально обеспечивает лучшую производительность и превосходную устойчивость для памяти.

Источник изображений: Tohoku university

Исследование было опубликовано японскими учёными из университета Тохоку в журнале Advanced Science 3 сентября 2023 года. Слоистые никелаты представляют собой класс сложных оксидных материалов, состоящих из ионов никеля. Они имеют структуру, в которой слои атомов никеля и кислорода перемежаются слоями, содержащими другие элементы, часто щелочноземельные или редкоземельные элементы. Их уникальное строение привлекло интерес исследователей из-за свойств электронов, которые могут найти применение в таких областях, как сверхпроводимость и микроэлектроника.

Слоистый никелат, полученный исследователями, состоит из слоёв атомов стронция, висмута и кислорода, структурно расположенных в виде кубической решётки, перемежаемых слоями молекул стронция, никеля и атомов кислорода в перовскитной структуре. Перовскиты характеризуются специфической кристаллической структурой, состоящей из двух положительно заряженных атомов и одного отрицательно заряженного, и обладают рядом интересных свойств, от сверхпроводимости до сегнетоэлектричества — спонтанной электрической поляризации, которую можно обратить вспять путём приложения электрического поля.

Эффект сегнетоэлектричества представляется очень перспективным при разработке энергонезависимой памяти с изменением фазового состояния, поскольку принцип действия такой памяти основан на способности материала обратимо переключаться между двумя состояниями удельного электрического сопротивления.

Ранее учёным были известны подобные свойства у халькогенидов — бинарных химических соединений халькогенов (элементов 16-й группы таблицы Менделеева, к которым относятся кислород, сера, селен, теллур, полоний и ливерморий) с металлами. У оксидов переходных металлов таблицы Менделеева, к которым относятся железо, медь, цинк, серебро, золото, платина, молибден, кобальт и другие, эффект сегнетоэлектричества ранее не изучался.

Хотя халькогениды уже доказали свою эффективность во многих приложениях памяти с фазовым переходом, оксиды переходных металлов часто демонстрируют лучшую термическую и химическую стабильность. Многие оксиды переходных металлов более распространены, чем халькогениды и широко используются при производстве электроники.

Оксиды переходных металлов достаточно просто интегрировать в существующие производственные процессы и устройства, чтобы упростить цепочку поставок и получить дополнительные преимущества в области устойчивого развития. Также их использование может помочь в создании устройств для работы в сложных условиях с более длительным сроком службы.

Исследователи обнаружили, что полученный ими слоистый никелат демонстрирует термическое возвратное кристаллическое фазовое изменение, то есть этот материал претерпевает обратимый переход между тремя кристаллическими фазами при нагревании и охлаждении. «По сути, материал может переключаться между тремя фазами несколько раз при нагревании и охлаждении», — отметил один из исследователей.

В этом состоит отличие от типичного необратимого фазового перехода, который происходит только один раз при нагревании или охлаждении материала. Термически возвратный фазовый переход, наблюдаемый в слоистом никелате, обеспечивает обратимое переключение удельного электрического сопротивления при комнатной температуре, что позволяет разработать многоуровневую энергонезависимую память с изменением фазового состояния для повседневного применения.

Исследование также пролило свет на процесс обратимого фазового перехода и изменения удельного электрического сопротивления при комнатной температуре, что может иметь важные последствия для разработки энергонезависимой памяти, без привязки к конкретному применяемому материалу.

На августовском мероприятии Flash Memory Summit 2023 награды получила не только передовая 321-слойная 3D NAND-флеш компании SK hynix. Эксперты также отметили призами перспективную память ULTRARAM, которая сочетает в себе скорость оперативной памяти и энергонезависимость флеш-памяти. Компанию для её коммерческого производства создали только в начале этого года, и саммит FMS 23 стал для неё фактически дебютом.

Источник изображений: Quinas Technology

Память ULTRARAM молодая во всех смыслах. Её структуру придумали учёные из британских университетов Ланкастера и Уорвика. Посвящённая новой памяти статья вышла в журнале Nature в 2019 году. В 2022 году разработчики создали образцы памяти, а в январе этого года объявили о создании компании Quinas Technology для её продвижения.

Отличительной особенностью ULTRARAM можно считать высочайшую устойчивость к износу и к потере заряда. Разработчики, как минимум, обещают 10 млн циклов перезаписи и сохранение заряда в течение 1000 лет. Можно закрыть крышку ноутбука в процессе игры и продолжить её через 1000 лет, снова подняв её. Игра продолжится с того момента, как она была остановлена датчиками ноутбука на закрытие крышки.

Высокую устойчивость и сверхдлительное удержание заряда обещают конструкция ULTRARAM и используемые материалы, и это не кремний. Ячейку для хранения данных и насыщенный электронами слой разделяют три барьера из арсенида индия и антимонида алюминия (InAs / AlSb). Изоляция настолько хорошая, что утечками заряда можно пренебречь. Но как же электроны попадают в ячейку?

Для этого существует такое хорошо изученное и применяемое в электронике явление, как туннелирование. Если электронам придать определённую энергию, которую изобретатели называют резонансной, они способны преодолеть барьеры и оказаться в ячейке. Убрать их оттуда (стереть или перезаписать ячейку) можно при похожих условиях. Самостоятельно они фактически никогда её не покинут. Заряд будет храниться в ячейке без необходимости подавать на неё питание, как это происходит в случае флеш-памяти. При этом скоростные характеристики ULTRARAM приближаются к скорости работы оперативной памяти.

Так, первые образцы ULTRARAM показывали скорость переключения меньше 10 мс при напряжении стирания 2,5 В, что преподносится, как наилучший результат среди перспективных видов энергонезависимой памяти. В теории, быстродействие обещает оказаться в пределах 10 нс.

Разработчик трезво оценивает перспективы ULTRARAM и не считает, что она «взорвёт» рынок систем хранения данных. Но для ряда областей она может оказаться очень и очень востребованной. Например, для периферийных интернет-устройств, ограничение в питании которых заставляет искать компромиссы между объёмами памяти, производительностью и потреблением. Такая «невыключающаяся оперативка» будет востребована в серверах, а также в сфере создания искусственного мозга, где хранение данных и их обработка происходят в одном месте.

Переговоры с производителями уже ведутся, говорят разработчики. Производство ULTRARAM может начаться раньше, чем мы могли бы себе представить.

Учёные из британских университетов Ланкастера и Уорвика создали стартап для коммерческого продвижения универсальной памяти, которая будет быстрее оперативной памяти и сможет хранить данные без питания, как флеш-память. Память под названием UltraRAM станет основой для мгновенно включающихся компьютеров и искусственного мозга.

Источник изображения: Quinas Technology

Регистрация компании Quinas Technology состоялась в начале февраля 2023 года. Имя Quinas выбрано из сочетания слов «квантовый» и «арсенид индия». Память UltraRAM работает за счёт эффекта туннелирования электронов через барьер в ячейку памяти и обратно, а в качестве одного из базовых материалов используется арсенид индия.

Память UltraRAM разрабатывают физики университетов Ланкастера и Уорвика. Первые научные статьи, посвящённые разработке, начали появляться в Nature с 2019 года. Год назад в производственной лаборатории Университета Уорвика был создан действующий прототип памяти UltraRAM для подтверждения её характеристик. Тем самым технология созрела для перевода на коммерческие рельсы и дело подошло до создания компании, которая могла бы заняться практической стороной вопроса.

С основанием Quinas Technology в разработку и совершенствование памяти UltraRAM потекут деньги инвесторов и государственных программ. Это очевидным образом позволит ускорить появление как предсерийных образцов, так и массовых, хотя это дело даже не завтрашнего дня. И всё же, память UltraRAM потенциально способна однажды занять нишу между оперативной и энергонезависимой памятью.

Чипы UltraRAM смогут хранить информацию до 1000 лет и потреблять на перезапись каждого бита в 100 раз меньше энергии, чем DRAM, и в 1000 раз меньше, чем NAND. Устойчивость к износу также будет выше, чему у NAND, — не менее 10 млн циклов стирания. Сегодня эта память стала на шаг ближе к массовому внедрению.