Международная группа учёных обнаружила удивительный эффект в таком полупроводнике, как селенид индия (In₂Se₃). Под действием тока материал переходил из кристаллической формы в аморфную, затрачивая на это в миллион раз меньше энергии, чем в случае обычной импульсной записи памяти с фазовым переходом (полупроводниковой или на перезаписываемых оптических дисках типа DVD). Открытие обещает обернуться созданием невероятно эффективной компьютерной памяти.

Лавинообразный процесс аморфизации в селениде индия в представлении художника. Источник изображения: Akanksha Jain

Память с фазовым переходом, будь то полупроводниковая или в виде оптических дисков, остаётся достаточно энергоёмкой в моменты записи и стирания, хотя хранить данные она может без потребления энергии. Запись и стирание происходят импульсами, которые буквально плавят материал в ячейке или в слое диска — нагрев в локальной области может достигать 800 °C. Быстрое остывание расплава не позволяет ему восстановить кристаллическую структуру. Аморфное состояние ведёт к высокому сопротивлению току, а кристаллическое — к низкому, что определяет состояние ячейки 0 или 1. С оптическими накопителями всё работает по-другому, но принцип тот же.

Проводя опыты в Университете Пенсильвании (UPenn) с проволокой из селенида индия, учёные обнаружили, что материал полностью перешёл в аморфное состояние без воздействия импульсом. По проволоке пропускался небольшой ток, и в один момент он перестал проходить. Анализ показал, что материал приобрёл аморфную структуру. К изучению вопроса подключились учёные из Массачусетского технологического института (MIT), а на анализ образцы были отправлены в Индийский институт науки (IISc).

В IISc учёные разработали методологию наблюдения за процессом аморфизации селенида индия буквально по шагам в нанометровом масштабе и в более крупном масштабе. Оказалось, что вступают в работу два свойства селенида индия — пьезоэлектрика и сегнетоэлектрика. Небольшой ток создаёт домен аморфизации в материале, а возникающие напряжения в кристаллической решётке провоцируют что-то вроде эффекта землетрясения на соседних участках, и процесс приобретает лавинообразный характер. Процесс остановится только тогда, когда весь материал станет аморфным.

Сделанное открытие может привести к созданию невероятно энергоэффективной памяти с фазовым переходом (). По словам учёных, на аморфизацию ячейки памяти из селенида индия требуется одна миллионная от типичного потребления современной памяти PCM, что преобразит все системы хранения и вычислений.

Британская компания QuInAs сообщила о получении средств на подготовку к производству нового типа энергонезависимой памяти UltraRAM. Деньги в размере £1,1 млн ($1,42 млн) сроком на один год предоставил государственный инвестиционный фонд страны. Эти средства станут первым серьёзным вкладом в подготовку к производству новой памяти на пластинах большого диаметра. Британская компания станет на шаг ближе к революции в мире хранения и обработки данных.

Строение ячейки памяти UltraRAM. Источник изображения: QuInAs

Память UltraRAM ворвалась в сферу энергонезависимого хранения данных около пяти лет назад. Как и все другие типы инновационной «флеш-памяти» — ReRAM, SST-MRAM, 3D XPoint и прочих — она обещает скорость работы на уровне оперативной памяти DRAM и беспрецедентную устойчивость к перезаписи на фоне способности сотни лет хранить информацию в ячейках без подачи питания. Для Великобритании создание подобной памяти означает вхождение в клуб передовых разработчиков полупроводниковых решений, аналогов которым нет.

Основную научную работу по проектированию UltraRAM провели исследователи из британских университетов Ланкастера и Уорвика. Отцом памяти называют профессора физики Ланкастерского университета Мануса Хейна (Manus Hayne). Зимой 2023 года Хейн создал компанию QuInAs для коммерциализации UltraRAM. В названии компании отражены термины «квантовый» и «арсенид индия». Память UltraRAM работает на эффекте квантового туннелирования электронов через энергетический барьер в ячейку. Барьер создаётся чередованием тонкоплёночных слоёв антимонида галлия (GaSb) и антимонида алюминия (AlSb).

По словам разработчиков, UltraRAM при переключении на единицу площади будет потреблять в 100 раз меньше энергии, чем DRAM, в 1000 раз меньше, чем NAND-флеш и в 10 000 раз меньше, чем «другие типы инновационной памяти». При этом ячейка UltraRAM может быть перезаписана не менее 10 млн раз, а также сможет удерживать информацию 1000 лет.

Прототипы ячеек UltraRAM изобретатели создавали на университетском производстве. Оно ограничено пластинами диаметром 75 мм. Также университетский комплекс не располагает передовыми установками для наращивания слоёв (кристаллов) на пластинах. Поэтому технологию необходимо адаптировать для воспроизведения в заводских условиях. Для этого британский производитель полупроводников — компания IQE — получит большинство из выделяемых компании QuInAs на этот год средств. На эти деньги она сможет подготовиться к производству тонкоплёночных покрытий GaSb и AlSb на 150-мм пластинах.

Первоначально компания QuInAs будет создавать затравки для роста кристаллических слоёв на университетских мощностях. В дальнейшем IQE должна найти возможность выращивать слои на собственном оборудовании. Параллельно в QuInAs будет совершенствовать память UltraRAM и работать над её масштабированием в сторону уменьшения площади ячеек, а также трудиться над переносом производства памяти на 200-мм пластины. Со стороны объём работ представляется огромным и не одну пятилетку. Но путь UltraRAM начался всего лишь пять лет назад с рядовой научной статьи в Nature, а она уже шагнула в сферу производства.

Сегодня даже самая передовая энергонезависимая память имеет ограничения на количество циклов перезаписи. Для домашнего использования это не критично, тогда как во множестве отраслей скорость износа памяти имеет решающее влияние на безопасность и бюджет. Группа учёных из Китая начала поиск материалов для энергонезависимой памяти с нулевым износом. Это многое изменило бы в отрасли и в мире. На днях появилась информация о прорыве.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Как сообщили в своей статье в журнале Science исследователи из Нинбоского института материаловедения и инженерии Китайской академии наук (CAS), Университета электронных наук и технологий Китая в Чэнду и Университета Фудань в Шанхае, созданный ими материал для энергонезависимой памяти после миллиона циклов перезаписи в лабораторных условиях показал нулевой износ. Это прорыв, заявили исследователи. Потенциально память на основе нового материала может работать едва ли не вечно.

Следует сказать, что учёные использовали популярный среди исследователей сегнетоэлектриков материал — дисульфид молибдена. Точнее, его модификацию под названием 3R-MoS₂. Сегнетоэлектрики действительно меньше подвержены износу в процессе записи и хранения данных. Эффект гистерезиса (памяти) в таких материалах проявляется в изменении поляризации кристаллической ячейки, чем можно управлять с помощью внешнего электромагнитного поля. Физическое воздействие на материал минимальное, но, всё же, оно есть. Сегнетоэлектрическая память также со временем ухудшает свои свойства и с этим нужно работать.

Как выяснили китайские учёные, в ухудшении характеристик сегнетоэлектрической памяти — в проявлениях так называемой сегнетоэлектрической усталости — виноваты дефекты, вернее, процесс накопления дефектов. Они, как мелкая галька в морской волне, собираются в кучки, которые увеличиваются в размерах. Поэтому все силы учёных в новом исследовании были направлены на поиск решения замедлить или предотвратить накопление этих дефектов.

В результате поиска с привлечением машинных алгоритмов (ИИ), исследователи создали с использованием 3R-MoS₂ слоистый «скользящий» материал, который не накапливал дефектов в процессе перезаписи. По крайней мере, после миллиона циклов материал не проявил ухудшения характеристик. Более того, материал оказался очень тонким — порядка одного нанометра. Это означает, что ячейки памяти могут быть очень и очень маленькими. Современная сегнетоэлектрическая память не может похвастаться маленькими ячейками и поэтому страдает от низкой плотности.

Нетрудно представить, как преобразится отрасль, например, искусственного интеллекта и супервычислений, если память в компьютерах не будет иметь износа. В свете начавшейся технологической войны США и Китая — это такой фактор, который невозможно переоценить.

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.