Наноэлектронные устройства памяти на кремниевых КМДП транзисторах

Основные положения лекции 6

На основе кремниевых КМДП транзисторов можно строить эффективные высокоинтегрированные устройства памяти. Элементарной ячейкой быстрой оперативной памяти с произвольным доступом, которую принято называть "статической памятью", является КМДП триггер, построенный из двух КМДП инверторов с перекрестной связью, и 2 ключевых транзисторов. Типичной для такой "статической" памяти является матричная организация, когда каждая ячейка присоединена к одной горизонтальной и к одной вертикальной шине. Записанная в статическую память информация сохраняется до тех пор, пока она подключена к источнику питания. Если питание (даже на короткое время) выключается, то записанная информация пропадает.

Одним из простейших и наиболее дешевых видов наноэлектронной памяти на МДП транзисторах является так называемая "динамическая" оперативная память. Ячейка такой памяти состоит из ключевого МДП транзистора и тонкопленочного конденсатора и занимает на пластине кремния площадь, на порядок меньше, чем ячейка статической оперативной памяти. Поэтому и плотность хранения информации здесь на порядок выше, и себестоимость производства одного мегабита памяти на порядок меньше.

Недостатком ячеек динамической памяти является то, что электрический заряд на конденсаторах из-за наличия паразитных токов утечки постепенно уменьшается, и спустя некоторое время записанная информация может пропасть. Чтобы этого не произошло, записанную информацию надо периодически возобновлять. Изобретено много архитектурных и схемотехнических решений для того, чтобы регенерация не оказывала большого влияния на задержку выполнения внешних запросов к динамической памяти на считывание или запись информации. Весь большой массив ячеек памяти (до сотни мегабайт на одном кристалле) разбивают на много отдельных матриц ("банков", "страниц") памяти. Те из них, в которые занесена нужная информация, но к которым в текущий момент обращений нет, находятся в режиме оптимизированной автономной регенерации. А те, к которым идут обращения, регенерируются во время считывания/записи. Наноэлектронная технология позволила встроить в кристалл динамической памяти буферные блоки быстрой статической памяти. При обращении к следующей странице динамической памяти записанные в ней данные быстро копируются в буферный блок статической памяти и дальше могут оперативно считываться или изменяться в нем. А информация из предыдущего буферного блока параллельно перезаписывается в соответствующую страницу динамической памяти.

В связи с большим объемом информации в наноэлектронных кристаллах динамической памяти значительно выросла и разрядность кода адреса. Чтобы не увеличивать количество внешних выводов, код адреса передают на кристалл двумя частями, сопровождая передачу каждой половины кода своим строб-импульсом. Такой же прием применяют и в случаях, когда необходимо считывать с кристалла памяти или записывать в него слова (двоичные числа) большой разрядности.

Дополнительные возможности оптимизации архитектуры динамической памяти появляются в системах обработки видеоизображений, где информация записывается и считывается по кадрам, довольно большими блоками с заведомо известной организацией их потоков.

Тактовая частота современных наноэлектронных микросхем динамической памяти доведена уже до 3 ГГц, а продолжительность цикла получения данных из последовательно размещенных ячеек памяти – до значений порядка 1 нс. Микросхемы динамической памяти промышленно выпускаются огромными тиражами и, благодаря их относительно небольшой стоимости, широко применяются в компьютерах, цифровых видеокамерах, цифровых системах передачи изображений, звуков и т.д.

Не менее популярной, чем динамическая оперативная память, стала также энергонезависимая наноэлектронная флеш-память на МДП транзисторах с плавающим затвором. Занесенный на него электрический заряд может сохраняться годами независимо от наличия напряжения питания. Память эта аналоговая, так как электрический ток сквозь транзистор монотонно зависит от величины электрического заряда на плавающем затворе. И в некоторых случаях это с успехом используется, например, для построения экономной аналоговой памяти изображений в цифровых фотоаппаратах, для записи, хранения и воспроизведения звуковой информации.

При хранении цифровой информации наноэлектронные МДП транзисторы с плавающим затвором чаще всего используют в режиме хранения одного бита информации. Однако промышленно выпускают уже и флеш-память с двухбитовыми ячейками, когда различают уже 4 уровня тока сквозь транзистор ("00", "01", "10" и "11") при подаче на управляющий затвор потенциала считывания. Для надежной работы в двухбитовом режиме надо обеспечить более высокий уровень идентичности всех ячеек в массиве памяти, но плотность хранения данных возрастает при этом вдвое, и на кристалле той же площади можно сохранять вдвое больше информации.

Для занесения электрического заряда на плавающий затвор и для его удаления используют туннельный эффект. На управляющий затвор подают положительный или отрицательный импульс напряжения, а величину перенесенного заряда определяет длительность импульса записи. Плавающий затвор не занимает дополнительной площади на кристалле кремния. И поэтому ячейка флеш-памяти имеет значительно меньшую площадь, чем ячейка динамической памяти. Соответственно и плотность размещения ячеек значительно выше, а себестоимость изготовления флеш-памяти ниже, чем схем динамической памяти.

В серийном промышленном производстве используют лишь два альтернативных принципа организации флеш-памяти, которые называют "NOR" и "NAND". Плотность размещения ячеек памяти в матрицах типа "NAND" в несколько раз выше, и поэтому себестоимость одного мегабайта памяти здесь в несколько раз меньше. Ведущие фирмы изготовляют ее уже с проектно-технологическими нормами 22 нм и менее.

Очень популярными стали флеш-брелки, с помощью которых можно просто и быстро переносить большие объемы информации с одного компьютера на другой. Уже выпускаются модели с объемом памяти 1 Тб и больше и скоростью переноса данных от 1 до 100 Мб/с. Наноэлектронные флеш-карты памяти широко используют во всех современных интеллектуальных мобильных устройствах – в цифровых фотоаппаратах и видеокамерах, в электронных книгах и учебниках, в сотовых телефонах, смартфонах, в мобильных медиаплеерах и устройствах для электронных игр, в навигаторах и т.д. Их начали все шире применять в новейших станках с числовым программным управлением и в новейшем автоматизированном промышленном оборудовании. Развернулось серийное производство флеш-дисков – "твердотельных" аналогов жестких магнитных дисков.

Свойства, подобные свойствам МДП транзисторов с плавающим затвором, имеют МДП транзисторы с зарядовыми ловушками. Размещенные над каналом МДП транзистора такие "ловушки" тоже эффективно регулируют электрический ток сквозь канал и позволяют десятки лет сохранять занесенный в них электрический заряд. Характеристики устройств памяти на таких транзисторах приблизительно такие же, как и флеш-памяти.

Перспективным видом наноэлектронной памяти на МДП транзисторах является и память на элементах с изменением фазового состояния (ИФС). Функционирование такой памяти основано на способности ряда материалов, в частности халькогенидного стекла, стабильно существовать при комнатных температурах как в стеклообразном (аморфном), так и в кристаллическом состоянии. Их удается быстро переводить из одного состояния в другое при пропускании сквозь элемент ИФС дозированных импульсов электрического тока. В кристаллическом состоянии такие материалы имеют относительно малое электрическое сопротивление, в аморфном – на несколько порядков выше. Количество циклов гарантированной перезаписи в элементах ИФС оценивается в 100 млн. (в 1000 раз больше, чем в флеш-памяти), а время гарантированного хранения информации при рабочей температуре – в 300 лет. В 2011 г. освоен промышленный выпуск наноэлектронных кристаллов памяти на элементах ИФС объемом 512 Мб. Их применяют пока в основном в спецтехнике – там, где нужна повышенная радиационная стойкость, и там, где нужна высокая скорость записи, а также гарантированное количество циклов перезаписи свыше 10 млн.

Переход к нанометровым размерам ячеек памяти открыл "новое дыхание" также и для программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Стала возможной реализация на одном кристалле ПЛИС сложных специфических контроллеров, процессоров, блоков перекодировки информации, коммутаторов, цифровых фильтров, и т.п. с использованием уже миллионов доступных для записи и перезаписи ячеек памяти, т.е. миллионов эквивалентных логических вентилей, которые работают на частотах в сотни мегагерц с низким уровнем энергопотребления. Наноэлектронные ПЛИС стали также одной из наилучших элементных баз для реализации сложных нейронных сетей.

Набор для практики

Вопросы для самоконтроля

1. Из каких элементов состоит наноэлектронная "статическая" оперативная память? Начертите принципиальную электрическую схему и опишите ее работу.
2. Из каких элементов состоит наноэлектронная "динамическая" оперативная память? Начертите принципиальную электрическую схему и опишите ее работу.
3. Какие преимущества имеет "динамическая" оперативная память перед "статической"? В чем она уступает? Назовите области их применения.
4. Что такое "регенерация" ячеек памяти? Как ее организуют?
5. С какой целью в микросхемы наноэлектронной динамической памяти встраивают блоки статической памяти?
6. Как удается в микросхемах памяти большого объема обходиться относительно ограниченным числом внешних выводов?
7. Что такое флеш-память? Из каких элементов состоит ячейка такой памяти? Начертите структуру МДП транзистора с плавающим затвором и расскажите о его работе.
8. Благодаря чему ячейка флеш-памяти может использоваться как однобитовая, двухбитовая и как аналоговая память?
9. Чем отличаются варианты флеш-памяти "NOR" и "NAND"? Начертите принципиальные электрические схемы и опишите их работу. Какой из этих вариантов обеспечивает меньшую себестоимость памяти?
10. В чем состоит разница между вариантами исполнения флеш-памяти в виде флеш-брелков, карт памяти и флеш-дисков?
11. На чем основана работа МДП транзистора с зарядовыми ловушками? Сравните характеристики микросхем памяти на таких транзисторах с флеш-памятью.
12. На чем основана работа наноэлектронной памяти на элементах с изменением фазового состояния (ИФС)?
13. Как и почему изменяются характеристики ИФС памяти при уменьшении размеров элементов?
14. Что такое ПЛИС? Где они применяются? Как изменились их характеристики и возможности применения на наноэлектронном этапе развития?