: 相变存储器的工作原理和最新的研究进展

2018-11-15 16:27:39 来源:eepw
标签:

幸运农场绝招 www.qxwt.net  

近年来,非易失性存储技术在许多方面都取得了一些重大进展,为计算机系统的存储能效提升带来了新的契机,采用新型非易失性存储技术来替代传统的存储技术可以适应计算机技术发展对高存储能效的需求。以相变存储器为代表的多种新型存储器技术因具备高集成度、低功耗等特点而受到国内外研究者的广泛关注,本文介绍相变存储器的工作原理、技术特点及其国内外最新研究进展。


一、相变存储器的工作原理

相变存储器(Phase Change Random Access Memory, 简称PCRAM)的基本结构如图1所示,相变存储器的基本存储原理是在器件单元上施加不同宽度和高度的电压或电流脉冲信号,使相变材料发生物理相态的变化,即晶态(低阻态)和非晶态 (高阻态)之间发生可逆相变互相转换,从而实现信息的写入 (“1”)和擦除(“0”)操作。相互转换过程包含了晶态到非晶态的非晶化转变以及非晶态到晶态的晶化转变两个过程,其中前者被称为非晶化过程,后者被称为晶化过程。然后依靠测量对比两个物理相态间的电阻差异来实现信息的读出,这种非破坏性的读取过程,能够确保准确地读出器件单元中已存储的信息。

 

相变材料在晶态和非晶态的时候电阻率差距相差几个数量级,使得其具有较高的噪声容限,足以区分“ 0”态和“ 1”态。目前各机构用的比较多的相变材料是硫属化物(英特尔为代表)和含锗、锑、碲的合成材料(GST),如Ge2Sb2Te5(意法半导体为代表)。

 


图1: PCRAM结构示意图

 

二、相变存储器的技术特点

相变存储器具有很多优点,比如可嵌入功能强、优异的可反复擦写特性、稳定性好以及和CMOS工艺兼容等。到目前为止,还未发现PCRAM 有明确的物理极限,研究表明相变材料的厚度降至2nm时,器件仍然能够发生相变。因而,PCRAM 被认为是最有可能解决存储技术问题、取代目前主流的存储产品,成为未来通用的新一代非挥发性半导体存储器件之一。

 

相变存储器提高存储容量的方式有两种:一种是三维堆叠,还有一种是多值技术。英特尔和美光重点突破的是三维堆叠技术,而IBM在多值存储领域取得了突破性进展。

 


图2:PCRAM突破存储容量的两大技术方向:三维堆叠和多值存储

 

三维堆叠技术通过芯片或器件在垂直方向的堆叠,可以显著增加芯片集成度,是延续摩尔定律的一种重要技术。交叉堆叠(cross point)的三维存储结构被广泛应用于非易失存储器,英特尔和美光共同研发的3D Xpoint技术,便是一种三维交叉堆叠型相变存储器。当前,三维新型非易失存储器的研究主要集中在器件和阵列层面。与传统的二维存储器不同,三维相变存储器采用了新型的双向阈值开关(Ovonic Threshold Switch,OTS)器件作为选通器件(selector)。根据OTS器件的物理特性和三维交叉堆叠阵列结构的特点,三维交叉堆叠型相变存储器采用一种V/2偏置方法以实现存储单元的操作。

 

IBM是相变存储器多值存储技术的推进者,其每个存储单元都能长时间可靠地存储多个字节的数据。为了实现多位存储,IBM的科学家开发出了两项创新性的使能技术:一套不受偏移影响单元状态测量方法以及偏移容错编码和检测方案。更具体地说,这种新的单元状态测量方法可测量PCRAM单元的物理特性,检测其在较长时间内是否能保持稳定状态,这样的话其对偏移就会不敏感,而偏移可影响此单元的长期电导率稳定性。为了实现一个单元上所储存的数据在环境温度波动的情况下仍能获得额外的稳健性(additional robustness),IBM的科学家采用了一种新的编码和检测方案。这个方案可以通过自适应方式修改用来检测此单元所存储数据的电平阈值,使其能随着温度变化引起的各种波动而变化。因此,这种存储器写入程序后,在相当长的时间内都能可靠地读取单元状态,从而可提供较高的非易失性。

 

三、国内外相变存储器的最新研究进展

目前国内外有不少企业和科研机构都在研究相变存储器,但由于PCRAM技术还有很多难点有待攻克,故大多机构的研发进展并不顺利,国外PCRAM知识产权主要被索尼、三星、IBM、美光四家公司所垄断,能实现小规模量产的只有三星、美光等海外大公司,以及国内中科院上海微系统所与信息技术研究所。近期IBM方宣称其在PCRAM领域取得了重大突破,其使用能够以多种不同的电阻级别来实现每单元3 bit(即8个电阻级别)的容纳能力,其速度比NAND快70倍,读取延迟仅为1微秒,是DRAM的十倍,写入周期长达100万次。

 

图3:国外PCRAM的主要研发机构

 

国内目前对PCRAM技术的研究机构主要有中国科学院上海微系统与信息技术研究所、华中科技大学等。中国科学院上海微系统与信息技术研究所发现了比国际量产的Ge-Sb-Te性能更好的Ti-Sb-Te自主新型相变存储材料;自主研发了具有国际先进水平的双沟道隔离的4F2高密度二极管技术;开发出了我国第一款8Mb PCRAM试验芯片;所开发的基于0.13umCMOS工艺的打印机用嵌入式PCRAM产品已获得首个750万颗的订单;所开发的基于40nm高密度二极管技术、具有最小单元尺寸的自读存储器已经开始送样;所研制的40nm节点PCRAM试验芯片的单元成品率最高达99.999%以上,甚至有不加修正4Mb、64Mb PCRAM芯片,现已提供客户在先进信息系统上试用?;锌萍即笱а兄瞥晒θ萘课?Mb的PCRAM芯片,相变速度达到同期全球最快(0.2ns)。

 
关注与非网微信 ( ee-focus )
限量版产业观察、行业动态、技术大餐每日推荐
享受快时代的精品慢阅读
 

 

继续阅读

有消息说,美国国防部正在为“可信计划”制定新的应对方案。据悉,在新方案中,军事/航空客户在晶圆代工厂的选择方面有了更多的回旋余地,台积电、英特尔、三星电子可望成赢家。而事情的起因竟是格芯半导体(GlobalFoundries)宣布将无限期搁置7nm FinFET项目。

格芯开始卖晶圆厂,这家国际知名代工厂就准备这么结束自己的代工业务?

根据协议,安森美需先立即支付1亿美元的现金,剩余3.3亿美元在2022年底支付。期间,格芯将从明年开始为安森美制造300mm晶圆,一直到2022年底交易全部完成之后,才完全由安森美自己负责。届时安森美将获得该工厂的完全控制权,同时完成所有相关员工的转移。

IBM转战云计算,能否让它力挽狂澜?

4月16日,IBM对外发布了它在2019年第一季度的财报。从它的核心数据来看,IBM的营收跟净利润虽说保持同比增长,但增速却已放缓,尤其是从核心业务营收增速中更为明显。

IBM公布第一季度财报,除了云端事业表现均不理想?

近日,IBM公司公布第一季财报,营收下滑幅度比市场预期还大,主要原因是大型主机需求的下滑以及强势美元所影响。在周二当地时间公布财报后,IBM股价下滑达3%。

【技术分享】相变存储器(PCRAM)的工作原理及技术特点

以相变存储器为代表的多种新型存储器技术因具备高集成度、低功耗等特点而受到国内外研究者的广泛关注,本文介绍相变存储器的工作原理、技术特点及其国内外最新研究进展。

更多资讯
嵌入式设计,硬件重要还是软件重要?
嵌入式设计,硬件重要还是软件重要?

随着经济水平的提高和消费结构的改变,人们对消费电子产品的要求越来越高,如产品的灵活性、可控性、耐用性、高性价比等,这些都可以通过合理、有效的嵌入式系统设计和优化来实现。另外,在现代化的医疗、测控仪器和机电产品中对系统的可靠性、实时性要求较高,更需要有专用的嵌入式系统的支持,这些需求都极大地刺激了嵌入式系统的发展和产业化的进程。

【技术分享】架构层级SOLID原则中的开闭原则分析

本文是关于架构层级SOLID原则的文章系列的第一篇。你可能熟悉如何在面向对象的层级遵循SOLID原则来进行类的设计,或者你也曾经疑惑这些原则是否适用于系统的架构设计,关于这一点,我将尝试给出一些我的见解。

工程师为室内导航设计出“看不见”的二维码
工程师为室内导航设计出“看不见”的二维码

用于机器人室内导航的隐形二维码。 使用UV或IR照明可读的隐形标签。

英特尔收购Omnitek,只为进军FPGA市???
英特尔收购Omnitek,只为进军FPGA市???

4月18日消息,英特尔近日宣布收购了家领先的优化视频和视觉 FPGA IP解决方案提供商 Omnitek。据了解,Omnitek的技术在 FPGA 上实现了定制的高性能视觉和人工智能 (AI) 推理功能,能够满足各个终端市场的客户需求。

音乐也开源,工程师制作电子木管乐器

在当今的数字乐器市场中,MIDI木管乐器控制器的选择非常有限。 该项目旨在将DIY开源版本带到普通制造商可以创建和播放的版块中

电路方案