ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ВИДЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ПАМЯТИ

АНОТАЦИЯ

В данной статье представлен краткий обзор перспективных разработок видов  электронной памяти.

ABSTRACT

This article provides a brief overview of promising developments in the field of electronic memory.

Ключевые слова: BPM, многослойная магнитная память, STT-MRAM, SOT-MRAM, ReRAM, TRAM, NRAM.

Keywords: BPM, multilayer magnetic memory, STT-MRAM, SOT-MRAM, ReRAM, TRAM, NRAM.

На текущий момент разработано довольно много видов электронной памяти. Часть из них уже устарела, другие – применяются в современных устройствах, носителях информации. Каждый из видов памяти основан на своём, отличном от других, принципе действия – записи, хранении и перезаписи состояний электронных структур. Разнообразие существующих видов говорит нам о том, что каждый из них лучше подходит для выполнения определенных задач, а значит – каждый имеет свои недостатки. Поэтому продолжается совершенствование существующих и разработка новых видов электронной памяти. О принципах их действия, преимуществах и недостатках пойдет речь далее.

Начать обзор стоит с видов усовершенствованной магнитной памяти, использующей в качестве ячеек намагничиваемые зоны поверхности.

Первый вид – это BPM (Bit Patterned Media – структурированный носитель). В этом виде магнитной памяти используются усовершенствованные рабочие поверхности, на которые производится запись. Особенность их в том, что на них методами литографии создается структура из раздельных магнитных ячеек, каждая из которых может быть записана отдельно от окружающих её соседних.

Основным преимуществом такого подхода является возможность предельного уменьшения размеров ячейки памяти, что даст соответствующее увеличение плотности записи и ёмкости носителя в целом. Однако, основной недостаток этого вида памяти – высокая сложность и цена изготовления из-за использования методов литографии, а также суперпарамагнитный предел для ячеек малых размеров.

Второй вид – это многослойная магнитная память. На рабочих поверхностях таких носителей имеется структура из нескольких слоёв материалов с различными частотами ферромагнитного резонанса. При записи, с помощью излучателя электромагнитных волн определенной частоты, активируется только требуемый слой, в результате чего только он поддаётся намагничиванию, остальные слои – сохраняют своё состояние неизменным.

Главное преимущество – высокая плотность записи информации, потенциально большая, чем у BPM. Но сложность изготовления этого вида памяти и необходимость подбора соответствующих пар «материал – электромагнитный излучатель» на данный момент препятствует разработке и использованию.

Однако, компанией Toshiba, была экспериментально продемонстрирована возможность создания носителей информации BPM, [4], и на основе многослойной магнитной памяти, [5].

Следующий вид перспективной памяти называется MRAM (Magneto Resistive Random Access Memory). У этой разработки есть два подвида: STT-MRAM и SOT-MRAM. Структуры ячейки у двух подвидов похожи – это слой фиксированной намагниченности, «свободный» магнитный слой и тонкая прослойка диэлектрика между ними. Функционально такая ячейка представляет собой резистор, сопротивление которого определяется взаимонаправленностью векторов намагниченности «свободного» и «фиксированного» магнитных слоёв (эффект туннельного магнетосопротивления). Различие состоит в методах переключения состояний.

В случае STT-MRAM используется эффект переноса спина электрона, когда при протекании через структуру ячейки тока в одном или другом направлениях свыше некоторой величины, определяемой в процессе изготовления, происходит перемагничивание «свободного» слоя в то или иное состояние, в зависимости от направления течения тока, [7].

В случае же SOT-MRAM непосредственно вдоль «свободного» слоя прокладывается тонкий слой проводника, пропускание тока по которому перемагничивает «свободный» слой (спиноробитальный вращающий эффект), в зависимости от направления течения тока, [1].

Данный вид памяти является конкурентом для флэш-памяти твердотельных накопителей. Он также энергонезависим при хранении информации, однако обладает рядом преимуществ: потребляет меньше энергии для записи, ячейки такой памяти имеют больший потенциал по уменьшению размеров, их перезапись производится принципиально быстрее, а также они обладают большим ресурсом в цикле перезаписывания. Но главная проблема, мешающая замещению флэш-памяти данным видом – это непроработанность технологии изготовления такой памяти.

Ещё один вид памяти, призванный потеснить флэш-память – это ReRAM (Resistive Random Access Memory). Структура ячейки такой памяти в общем виде представляет собой тонкую плёнку диэлектрического материала, заключённую между двумя металлическими электродами. Изменение состояния ячейки в памяти такого вида происходит благодаря тому, что структура проявляет мемристорные свойства. То есть, под действием определённого напряжения электрического поля, изменяет свою проводимость и сохраняет её в дальнейшем, до момента подачи очередного «переключающего» напряжения, переводящего ячейку в состояние с другой проводимостью, [6].

Преимуществами такого вида памяти также являются энергонезависимость, меньшие размеры ячейки по сравнению с флэш-памятью, но главное – многоуровневость логических состояний, то есть возможность мемристорных структур иметь больше двух стабильных состояний, характеризующихся различными значениями проводимости. Однако, процессы и эффекты, используемые в данном типе памяти, изучены не достаточно глубоко. Это является препятствием для разработки устройств и создания технологий их изготовления.

Следующая разработка является разновидностью фазопереходной памяти – TRAM (Topological Switching Random Access Memory). Данный вид памяти ещё находится на стадии активного изучения. По данным исследователей, структуры  могут переходить в состояния различного электросопротивления после воздействия на них определенных электрических напряжений. И хотя механизм этих переходов ещё не до конца изучен, предполагается, что смена электрических характеристик структур является следствием изменения положения атомов в кристаллических решетках без расплавления материала, [3].

Главным преимуществом памяти такого вида может стать очень малый размер её ячеек, так как процессы переключения и хранения состояний происходят на атомарном уровне. Однако так как этот вид находится ещё только на стадии исследований, практическая реализация в устройствах будет ещё не скоро.

Ещё один перспективный вид памяти – это NRAM или электромеханическая память на углеродных нанотрубках. Состояния проводимости ячейки такой памяти определяются наличием или отсутствием соприкосновения нанотрубки с ответным электродом. Переключения происходят при подаче определенных напряжений за счет сил электрического притяжения и упругой деформации нанотрубки, при этом в крайнем положении, обеспечивающем контакт, нанотрубка и ответный электрод удерживаются межатомными силами Ван-дер-Ваальса.

Благодаря конструкции ячейки и принципу её работы такая память обладает исключительными характеристиками по температурной, вибро- и радиационной стойкости, а также имеет большой ресурс по перезаписыванию. Однако разработки в этом направлении активно ведет лишь одна компания, работающая на оборонную промышленность, [2].

В заключение стоит сказать, что виды магнитной памяти, такие как, например, жесткие диски, несмотря на их уже относительную «старость», как разработки, ещё имеют большой потенциал  по совершенствованию их характеристик. Однако возможности по модернизации уже привычных нам видов памяти, таких, как DRAM или флэш-памяти, в скором будущем будут исчерпаны, что может стать толчком к внедрению обозначенных перспективных видов.

Список литературы:

1. IEEE Transactions on Multi-Scale Computing Systems / гл. редактор Партха Пратим Панде. – Том 2, выпуск 1. – 1 эл. стр. – URL: https://www.computer.org/csdl/journal/mc/2016/01/07360193/13rRUB7a0Xq (дата обращения: 08.10.2020).
2. Nantero / главный исполнительный директор Грег Шмергель. – 1 эл. стр. – URL: http://nantero.com/technology/ (дата обращения: 08.10.2020).
3. NIKKEI Asian Review / главный редактор Сигесабуро Окумура. – 1 эл. стр. – URL: https://asia.nikkei.com/Business/Semiconductor-researchers-in-Japan-aim-to-make-the-next-big-leap (дата обращения: 07.06.2020).
4. Toshiba Global / директор по информационной безопасности Хидеаки Исии. – 1 эл. стр. – URL: https://www.toshiba.co.jp/rdc/rd/fields/11_e09_e.html (дата обращения: 08.10.2020).
5. Toshiba Global / директор по информационной безопасности Хидеаки Исии. – 1 эл. стр. – URL: https://www.toshiba.co.jp/rdc/rd/detail_e/e1507_01.html (дата обращения: 08.10.2020).
6. Наноиндустрия / гл. редактор А. Н. Сауров; зам. главного редактора А. Н. Алёшин; ответственный секретарь Э. А. Газина. – Выпуск #1/2016. – 1 эл. стр. – ISSN 2687-0282. – URL: http://www.nanoindustry.su/journal/article/5127 (дата обращения: 17.03.2020).
7. Электроника НТБ / материал подготовлен Ю. Ковалевским. – Выпуск #3/2018. – 1 эл. стр.  – URL: http://www.electronics.ru/journal/article/6628 (дата обращения: 08.10.2020).