Халькогенидная память - наше ближайшее будущее?

Автор: Юрий Ревич

Опубликовано 21 апреля 2010 года

В далёком 1923 году в семье польско-литовских эмигрантов Овшинских (Ovshinsky), обосновавшихся в городке Акрон, штат Огайо (США), родился мальчик, которого назвали Станиславом, но зарегистрировали под англизированной формой того же имени – Стэнфорд. Через полвека с лишним изобретателя-самоучку Стэна Овшинского, так и не получившего систематического образования, начнут называть "новым Эдисоном" и "Эйнштейном альтернативной энергетики".

В действительности Овшинский не отличился таким разнообразием интересов, как изобретатель фонографа, но в число его главных изобретений входят тонкоплёночные солнечные элементы, никельметаллгидридные (NiMH) аккумуляторы и батареи на твердом водородном топливе для транспорта. Но самое главное изобретение Овшинского, сделанное им ещё в начале 1960-х, и отмеченное знаменитым Гордоном Муром специальной статьей в Electronics в сентябре 1970 года, начинает внедряться в практику только сейчас. Зато – ускоренными темпами.

Речь идёт об устройствах памяти на основе фазового перехода в халькогенидных соединениях. Их называли по-разному: PCM (Phase Change Memory), CRAM (Chalcogenide Random Access Memory), OUM (Ovonic Unified Memory), но лучше других прижилась аббревиатура PRAM (формально - Phase-change Random Access Memory или "память с произвольным доступом на основе фазового перехода", неформально - Perfect RAM или "совершенная память с произвольным доступом").

Халькогениды - это соединения элементов шестой группы таблицы Менделеева (кислород, сера, селен, теллур, полоний) с более электроположительными элементами, например, с металлами. То есть, формально говоря, любой оксид (например, песок, двуокись кремния) – тоже халькогенид, но на практике это название чаще применяют лишь к соединениям с серой, селеном и теллуром (сульфиды, селениды, теллуриды).

Лучшая память на свете

Овшинский обнаружил, что такие материалы, как, например, сурьмид германия GeSb, способны резко менять физические свойства в зависимости от фазового состояния – аморфного или кристаллического. Если вещество нагреть выше температуры плавления и быстро остудить, оно переходит в аморфное состояние (стеклоподобное). Если его охлаждать медленно (специально немного подогревая ниже точки плавления), оно успевает закристаллизоваться. Да-да, именно этот эффект уже давно используется в перезаписываемых дисках CD-RW или DVD-RW, где отдельные участки-питы из довольно сложных по составу халькогенидных соединений (серебро-индий-сурьма-теллур либо германий-сурьма-теллур, GST) меняют в зависимости от режима нагрева-охлаждения свою прозрачность или коэффициент преломления. В PRAM, где применяются соединения типа GST (Ge₂ Sb₂Te₅), используется другая величина – удельное электрическое сопротивление. Копейки там ловить не приходится: в аморфном состоянии сопротивление GST примерно на два-три порядка выше, чем в кристаллическом.

Микросхема PRAM фирмы BAE System может изгибаться без потери работоспособности.

Одно из важнейших преимуществ PRAM - в том, что будучи энергонезависимой, такая память обладает плотностью упаковки и, главное, быстродействием, близким к обычной динамической DRAM. Samsung озвучивала цифры тридцатикратного превышения производительности PRAM в сравнении с обычной flash-памятью. IBM с партнерами ещё в 2006 году говорила даже о пятисоткратном превышении (при вдвое меньшем потреблении электроэнергии), но отнесла возможность производства такой памяти на 2015 год. Для реальных девайсов напрямую сопоставить цифры трудно, поскольку многое зависит от структуры и режима конкретного устройства, но для ориентировки можно указать, что у выпускающихся фирмой BAE System (см. далее) чипов халькогенидной статической памяти (SRAM) чтение и запись занимают одинаковое время порядка 15-17 нс (25 нс гарантировано во всём диапазоне питания), что в среднем всего вдвое хуже, чем у распространенных типов SDRAM.

Это качество PRAM может перевернуть всю концепцию устройства современных компьютеров, подчиняющихся восходящему ещё к фон Нейману принципу иерархического построения памяти – от самой быстрой оперативной до медленных жёстких дисков, способных зато хранить информацию практически вечно. Если ОЗУ становится энергонезависимым при достаточной вместительности, то отпадает нужда не только в медленных накопителях: выдерните из розетки системный блок с такой памятью, и при последующем включении он восстановит всё в точности, как было. Можно сразу продолжить работу с того же места – отменяется само понятие загрузки системы.

Добавим, что, поскольку в PRAM, как и у flash-памяти, принцип хранения информации аналоговый (у flash – величина заряда, у PRAM - уровень проводимости ячейки), то в халькогенидных ячейках может быть реализовано хранение более, чем одного бита, аналогично тому, как это делается во многоуровневых ячейках (MLC) flash-чипов. Создание таких микросхем анонсировали Intel и STMicroelectronics в 2008 году.

И где всё это?

Трудности запуска этого типа памяти в производство тоже немалые, и, как видите, её внедрение растянулось без малого на полвека. Основные причины торможения – в трудности создания миниатюрных горячих зон в халькогенидной пленке с огромными плотностями тока, склонностью к взаимовлиянию и самопроизвольному фазовому переходу. PRAM, как и flash-память, деградирует в процессе перезаписи, правда, число допустимых циклов записи в существующих чипах на два-три порядка больше (10⁸ против 10⁵).

В 1999 году Овшинским была основана компания Ovonyx, которой из его основной компании, Energy Conversion Devices, были переданы основные патенты на технологии халькогенидной памяти. С 2000 года технологию PRAM лицензировали один за другим практически все крупные производители полупроводниковых компонентов и успешно, как они утверждают, работают на доводкой технологического процесса. И тем не менее, пока что судьба PRAM в ширпотребовской области в некотором роде напоминает судьбу OLED-дисплеев – заявлений от ведущих компаний отрасли масса, а конкретных устройств на своих столах мы так и не видим.

Но по крайней мере в одной области микросхемы PRAM уже применяются очень широко. Одно из главных достоинств халькогенидной памяти - исключительная стойкость к радиации. Например, гарантируется работоспособность микросхемы при накопленной дозе в 200 тыс. рад. Столько можно получить на расстоянии примерно в 400 метров от эпицентра взрыва нейтронной бомбы. Это в сто-тысячу раз больше дозы, полученной первыми ликвидаторами Чернобыльской аварии, погибшими впоследствии от лучевой болезни. Есть и особо стойкие разновидности PRAM, выдерживающие накопленную дозу в миллион рад.

Благодаря усилиям крупнейшей военно-космической корпорации BAE System, PRAM довольно давно применяют в космических и военных аппаратах. С 2009 года ряд серий PRAM такого назначения стал доступен и в России через ЗАО "БА Электроникс". Серии эти не самые передовые по ёмкости и быстродействию (с технологической нормой 0,25 мкм), но по характеристикам вполне приличные. Чтобы их приобрести, вам потребуется пообещать Государственному Департаменту США, что оружие массового поражения вы производить не собираетесь, но, по словам "БА Электроникс", ни одна российская заявка ещё не была отклонена. О стоимости, правда, остаётся только гадать.

- В статье использованы фотографии с сайта bae-radhard.ru.