Исследователи из IBM разработали прототип 3-битной платы на ПК
Исследователи из лаборатории Цюриха IBM продемонстрировали возможность хранения 3 бит на ячейку с использованием технологии памяти с измененной фазой (PCM) при больших колебаниях температуры.
Исследовательская группа, которая поделилась своими выводами на Международном семинаре по памяти в Париже, пытается построить высокоскоростную, энергонезависимую технологию универсальной памяти. Память с этими функциями вызвала интерес нескольких групп и стала объектом многочисленных исследовательских усилий. В качестве примера, 3D XPoint - это быстрый, энергонезависимый чип памяти, недавно разработанный Intel и Micron.
Возможности PCM
PCM общего назначения может использоваться либо автономно, либо в паре с флэш-памятью, где PCM действует как чрезвычайно быстрый кеш. Сохраняя операционную систему в PCM, мобильный телефон сможет включиться через несколько секунд. Серверы данных и алгоритмы машинного обучения - это другие потенциальные приложения, на которые PCM может оказать значительное влияние.
Трижды увеличивая объем данных, хранящихся в PCM, ученые IBM надеются довести чипы PCM ближе к стоимости флэш-памяти. PCM примерно в 100 раз быстрее, чем флэш-память. В отличие от флеш-накопителя USB, который выдерживает только 3000 циклов записи, энергонезависимый PCM способен перезаписываться не менее 10 миллионов раз. Благодаря этому уникальному набору свойств PCM может революционизировать будущее индустрии памяти.
Технология PCM и многоуровневая ячейка (MLC)
Ячейка PCM состоит из халькогенидного сплава, обычно Ge2Sb2Te5 (GST), который помещается между двумя металлическими электродами. Структура способна переходить от кристаллического состояния в аморфное и проявлять различные уровни удельного сопротивления соответственно. Технология PCM использует эти уровни сопротивления для представления бит информации.
Чтобы прочитать сохраненный бит назад, мы можем применить небольшое напряжение и измерить ток ячейки. Вот как перезаписываемые диски Blu-ray хранят видео.
Одно десятилетие интенсивного развития привело PCM к передовому уровню со многими желательными функциями, такими как масштабируемость, низкая латентность записи и чтения и потенциал высокой емкости.
Рисунок 1: Массив ячеек PCM, где каждая ячейка состоит из транзистора для доступа к ячейке и элемента хранения смены фазы. Изображение предоставлено журналом IEEE по новым и избранным темам в схемах и системах
Поскольку существует большой контраст удельного сопротивления между сопротивлениями кристаллического состояния и аморфного состояния (обычно 3-4 порядка), и сопротивление может изменяться аналоговым образом, можно использовать промежуточные уровни сопротивления для хранения нескольких бит информации и получить MLC PCM.
Память MLC (многоуровневая ячейка), которая хранит более одного бита информации в ячейке памяти, была впервые применена к PCM в 2009 году. Однако MLC PCM угрожает надежности работы, главным образом из-за таких явлений, как устойчивый дрейф и изменчивость ячеек,
Сопротивление дрейфа и изменчивость ячеек
Сопротивление дрейфа
После программирования ячейки ИКМ ее удельное сопротивление будет монотонно возрастать со временем. Есть также некоторые случайные колебания вокруг этого монотонного поведения. Это устойчивое увеличение удельного сопротивления, называемое устойчивым дрейфом, объясняется физическими свойствами материалов с изменением фазы.
На рисунке 2 показано, как изменяется сопротивление после программирования ячейки PCM. Более того, на этом рисунке показано, что для более высоких значений запрограммированного сопротивления ожидается более высокое изменение сопротивления.
Рисунок 2: После программирования ячейки PCM сопротивление ячейки увеличивается из-за явления «дрейфа сопротивления». Изображение предоставлено журналом IEEE по новым и избранным темам в схемах и системах
Простым уравнением для моделирования сопротивления дрейфа является
$$ R (T) = R (Т_ {0}) ( гидроразрыва {T} {T_ {0}}) ^ v $$
где $$ R (t) $$ - сопротивление ячейки в момент времени $$ t $$, $$ t_ {0} $$ - произвольное время, $$ t_ {0} leq t $$ и $$ v $$ - показатель дрейфа. Показатель дрейфа оказывает значительное влияние на то, насколько измеряемый параметр (здесь, сопротивление $$ R (t) $$) изменяется со временем.
Из-за дрейфа сопротивления нам нужно выбрать значительный запас между уровнями сопротивления, чтобы мы могли иметь различимые уровни сопротивления для хранения нескольких бит информации.
Переменная ячейки
Изменчивость ячеек, еще одна неудача для MLC PCM, означает, что мы не можем создавать ячейки со 100% -ным сопоставлением. Другими словами: при изготовлении критические размеры ячеек будут несколько отличаться от одной ячейки к другой. Поэтому для тех же электрических стимулов разные клетки могут иметь разные уровни сопротивления.
Оба эти вопроса, дрейф сопротивления и изменчивость ячеек, также делают считывание сохраненного уровня сопротивления ячейки PCM сложной задачей.
Рисунок 3: Многобитовый чип PCM от IBM, подключенный к стандартной интегрированной плате. Изображение предоставлено Phys.org
Решения IBM для создания MLC PCM
Для создания практического MLC PCM IBM предложила изменить схему считывания с R-метрики на M-метрику, а затем объединить эти два показателя, чтобы получить расширенную версию M-метрики, называемую метрикой eM (или «улучшенной метрикой»), R-метрика, которая является обычным методом измерения сопротивления ячейки ИКМ, применяет низкое напряжение для смещения ячейки, а затем измеряет ее ток. R-метрика прост и быстра, однако она обладает более высокой чувствительностью к дрейфу сопротивления и имеет низкое отношение сигнал / шум при более высоких значениях сопротивления. Это связано с тем, что приложенное напряжение обычно невелико, и поэтому нам нужно измерить небольшой ток для высокого значения сопротивления. Компоненты шума могут быть подвержены более сильным токам. В результате отношение SNR (отношение сигнал / шум) будет уменьшаться.
М-метрика оценивает состояние ячейки, применяя ток смещения и измеряя напряжение, развитое на ячейке. Интересно, что при таком выборе чувствительность метрики к дрейфу сопротивления значительно снизится. Как показано на рисунке 4, показатель дрейфа новой метрики почти на порядок меньше, чем показатель R-метрики, который изображен на рисунке 2.
Рисунок 4: М-метрика проявляет меньшую чувствительность к дрейфу сопротивления. Изображение предоставлено журналом IEEE по новым и избранным темам в схемах и системах
Комбинируя преимущества R- и M-метрик, eM-метрика предлагает улучшенный контраст при считывании состояния ячейки и обеспечивает лучшее SNR в низкоомных состояниях.
Новые показатели считывания повышают надежность хранения MLC PCM в отношении дрейфа, шума и колебаний температуры. Кроме того, исследовательская группа внедрила класс кодов модуляции, который основан на относительном порядке уровней сопротивления, а не на их абсолютной величине. В результате технология дополнительно повышает надежность и не зависит от сдвигов уровней.
Схема кодирования и обнаружения отслеживает изменения температуры внутри ячейки и делает память энергонезависимой. Адаптивная схема изменяет пороговые уровни, которые используются для определения хранимых данных ячейки таким образом, что конструкция становится нечувствительной к изменениям температуры.
Перед PCM можно по-прежнему много работать, чтобы заменить DRAM или флэш-память. В отличие от однобитового PCM, который почти так же быстро, как DRAM, многобитовый PCM значительно медленнее. Более того, PCM не может хранить данные до тех пор, пока флэш-память и ее программирование потребляют много энергии. Тем не менее, обсуждаемые исследования по-прежнему являются важной вехой в продвижении технологии PCM.
Подробное обсуждение теории и практических схемных реализаций читайте в статье «Многоуровневая фазовая память с изменением фазы: жизнеспособная технология», опубликованной недавно в журнале IEEE по новым и избранным темам в схемах и системах.