ذاكرة عالمية: SRAM ، DRAM وذاكرة فلاش في زجاجة واحدة

في الوقت الحاضر ، هناك أكثر من نوع واحد من الذاكرة ، يتم استخدام كل منها لمهمة معينة. يتعاملون مع مهامهم بشكل جيد ، ولكن هناك عدد من أوجه القصور التي لا تجعل من الممكن استدعاء أي من خيارات الذاكرة هذه عالمية. إذا أضفنا هنا مشكلة نمو البيانات الهائلة في جميع أنحاء العالم وعطش البشرية للحفاظ على الطاقة ، فمن الضروري إنشاء شيء جديد تمامًا. سنلتقي اليوم بدراسة قدم فيها العلماء نوعًا جديدًا من الذاكرة يجمع بين مزايا ذاكرة الفلاش وذاكرة DRAM. ما هي "الأشياء الجيدة" التي يمتلكها هذا الابتكار ، وما هي التقنيات المستخدمة في إنشائه ، وما هي التوقعات؟ نتعرف على هذا من تقرير مجموعة الأبحاث. دعنا نذهب.

أساس الدراسة

هناك العديد من أنواع الذاكرة ، وقد تم إنشاؤها جميعًا لمهمة محددة: SRAM (ذاكرة الوصول العشوائي الساكنة) للذاكرة المؤقتة ، DRAM (ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية) للذاكرة النشطة ، ذاكرة فلاش لتخزين البيانات ، إلخ. ومع ذلك ، كما هو متوقع ، يكون لكل نوع من أنواع الذاكرة المذكورة أعلاه عيوبه الشخصية.

على سبيل المثال ، ذاكرة فلاش ، وهي عبارة عن مجموعة من الترانزستورات MOS (أشباه الموصلات أكسيد المعادن) مع بوابة عائمة (FG) لتخزين الشحن. يتم تقديم البيانات في تجسيد مثل مقدار الشحن الموجود في FG ، المعزول بواسطة طبقات الأكسيد.

العيب ، وفقًا للعلماء ، هو أنه بالنسبة للتسجيل والمحو ، يلزم وجود جهد كهربي مرتفع بما فيه الكفاية للتحكم من خلال مصراع تحكم (CG) ، عادة حوالي V 20 V ² . هذه العملية بطيئة ، وآلية الفشل الناجمة عن زيادة الطاقة تؤدي إلى انخفاض في عمر الجهاز.

على الرغم من هذا الطرح ، هناك بيانات زائد مثير للإعجاب تتم قراءتها من خلال التحقق من توصيل القناة ، والذي يتطلب جهدًا قليلًا جدًا. بسبب هذا ، لا تزال البيانات سليمة ، والتي تسمى القراءة غير المدمرة.

DRAM ، بدوره ، أسرع بكثير من ذاكرة الفلاش ، ولهذا السبب يتم استخدامه لعمليات الحوسبة النشطة ، إذا جاز التعبير. عيب DRAM هو أن البيانات المفقودة من الخلايا عند قراءتها. بالإضافة إلى ذلك ، تحدث تسربات شحن من المكثفات المستخدمة لتخزين البيانات.

SRAM هو أيضا نوع ذاكرة سريع إلى حد ما والبيانات لا تضيع كما هو الحال في DRAM. ومع ذلك ، كقاعدة عامة ، يتم استخدام 6 ترانزستورات لكل خلية ، أي أنك بحاجة إلى مساحة كبيرة على الشريحة.

بعد تقديم أوجه القصور الموصوفة أعلاه للأنواع الكلاسيكية من الذاكرة ، يؤكد العلماء على أهمية إيجاد خيار بديل أو مختلط يكون خاليًا من هذه المشكلات ، مع الجمع بين جميع مزايا أسلافهم.

في هذا العمل ، يعرض الباحثون انتباههم على رؤيتهم لنوع جديد من الذاكرة - جهاز ذاكرة جديد بجهد منخفض ، وأشباه الموصلات ، وقائم على الشحن ، وغير متطاير من نوع مضغوط ، يعمل في درجة حرارة الغرفة. أطلق الباحثون على ذريتهم "ذاكرة عالمية" (بسيطة ، ولكن لذيذة).

الجهاز عبارة عن ذاكرة ذات بوابة عائمة ، تم إنشاؤها بناءً على بنى متجانسة InAs / AlSb / GaSb ، حيث يتم استخدام InAs كبوابة عائمة وكقناة بدون انتقالات.

قدم العلماء نتائج المحاكاة والاختبار الفعلي لنموذج أولي لخلية واحدة.

نتائج البحوث

الصورة رقم 1

تُظهر الصورة أعلاه عرضًا تخطيطيًا لجهازًا وصورة لـ PREM (المجهر الإلكتروني للإرسال).

كما في حالة ذاكرة الفلاش ، يتم تخزين الشحن في FG في هذا الجهاز ، ولكن في الوقت نفسه لا توجد حواجز أكسيد. بدلاً من ذلك ، تم استخدام تحول في شريط التوصيل في عائلة ما يسمى 6.1-of من أشباه الموصلات. بمعنى أن الجهاز الذي يشتمل على خلية الذاكرة يشبه ترانزستور تنقل عالي الإلكترون (HEMT) أكثر من ترانزستور MOS. InAs تشكل قناة لا تحتوي على انتقالات. ومع ذلك ، تم استخدام n-doping لتعويض المنشطات الخلفية غير المقصودة وللحفاظ على الشواغر Ga في GaSb الأساسي. كلتا هاتين المهمتين تقومان بطبيعة الحال بعمل طبقات من النوع p.

pn junction * هي منطقة التلامس لاثنين من أشباه الموصلات مع أنواع مختلفة من الموصلية - p (ثقب) و n (إلكتروني).

الصورة رقم 2

يُبيِّن الرسم البياني 2 أ المحاذاة المحاكية لنطاقات الطاقة ، فضلاً عن كثافة الإلكترونات والثقوب الموجودة في الطبقات في غياب التحيز. توضح البيانات النظرية ، جنبًا إلى جنب مع المحاكاة ، أن نطاق توصيل InAs أسفل نطاق التكافؤ GaSb في واجهة InAs و GaSb. وهذا يؤدي إلى نقل الإلكترونات من طبقة GaSb إلى طبقة InAs ، وبعد ذلك تبقى الثقوب في GaSb.

الثقب * عبارة عن رابطة تكافؤ غير مملوءة ، تظهر نفسها على أنها شحنة موجبة تساوي شحنة الإلكترون.

تكون الإلكترونات / الثقوب المتراكمة مرئية في الواجهة بين InAs و GaSb ، لكن الإلكترونات في قناة InAs غير متصلة بواجهة InAs / GaSb ، ويتم ملاحظة كثافتها في جميع أنحاء InAs. تهيمن الإلكترونات في InAs على توصيل القناة بأكملها ، والتي سيكون لها قدرة حركة أعلى وكثافة أعلى من الثقوب في GaSb.

يتم عزل FG الداخلي لطبقة InAs عن قناة InAs بواسطة حاجز AlSb (15 نانومتر). وفي الوقت نفسه ، تعمل الآبار الكمومية مزدوجة * وثلاث حواجز من نوع AlSb كحاجز نفق رنان بين FG و CG InAs مع المنشطات n.

البئر الكمومية * - يحد من حركة الجسيمات في البعد ثنائي الأبعاد (بدلاً من البعد ثلاثي الأبعاد) ، والذي بسببه لا يمكن أن يتحرك إلا في طبقة مسطحة.

لذلك ، في الجهاز قيد الدراسة ، يتم عزل الإلكترونات المخزنة في FG لطبقة InAs عن طريق وجود فجوة كبيرة بشكل غير طبيعي في شريط التوصيل مع AlSb. هذا يعني أنه يمكنك الحصول على نظام الحد من الشحن ، والذي سيكون له وقت تخزين في درجة حرارة الغرفة تساوي 1014 سنة.

يتمثل الجانب الأكثر أهمية في تشغيل الجهاز قيد الدراسة في حقيقة أن بئرين كوانتين (QW1 و QW2) في حاجز الأنفاق بالرنين الثلاثي لهما سُمك مختلفة ، على سبيل المثال ، تحدث حالات محدودة ذات طاقات مختلفة ( 2 أ ). نظرًا لأن QW2 أرق من QW1 ، فإن مستوى الطاقة المتاح الوحيد للإلكترونات في QW2 لديه طاقة أعلى من المكافئ في QW1. بالإضافة إلى ذلك ، تمتلك الدولة في QW1 طاقة أعلى بكثير من الولاية في منطقة CG المجاورة. هذا يمنع نفق الإلكترون المباشر بين CG و FG ، ويتم تحديد حاجز نقل الإلكترون من CG إلى FG (أو العكس بالعكس) عن طريق تحول في نطاق توصيل InAs / AlSb بمقدار 2.1 eV ، أي أن الشحنة لن تتدفق إلى / من FG.

تقع حالة الأرض والحالة الأساسية الماثلة في البوابة العائمة (FG) أسفل حالات الطاقة داخل كلاً من QWs. لذلك ، عندما يتم تطبيق أي جهد ، يتم قفل الإلكترونات داخل FG ، أي يصبح حاجز الأنفاق الرنانة الثلاثي مستحيلًا بالنسبة للإلكترونات من / إلى FG. وبالتالي ، يتم تحقيق عدم التقلب.

إذا تم تطبيق جهد غير مهم على بوابة التحكم (CG) ، فمن الممكن ضبط اقتران حالات الطاقة داخل حاجز نفق الرنين ، والذي سيسمح للإلكترونات بالمرور بحرية من ( 2b ) أو ( 2c ) البوابة العائمة.

خلال التجارب ، أجريت جميع عمليات القراءة والكتابة ومحو في عدة خلايا (حجم مصراع 10 × 10 ميكرون) في صندوق مظلم محمية من الكهرباء الساكنة في درجة حرارة الغرفة. ويؤكد الباحثون أن جميع العمليات ، بما في ذلك التسجيل والمحو ، قد تم إجراؤها عند إزاحة مقدارها V 2.6 فولت ، وهو تقريبًا بترتيب أقل من اللازم للتشغيل الكامل باستخدام خلية ذاكرة محمولة. تم إجراء المسح عن طريق تبديل بوابة التحكم (V ^E _CG-S ) بمقدار +2.5 أو +2.6 V بين CG والمصدر ، مما أدى إلى الحالة "0".

يوضح الشكل 2 ب محاذاة محاكاة لنطاقات الطاقة التي تم الحصول عليها بجهد محو +2.6 فولت. في ظل هذه الظروف ، يكون مستوى طاقة الإلكترون المحسوب في QW1 أقل من المستوى في QW2 ، بينما يكون كلاهما أدنى من الحالة المثارة الأولى ويقتربان من مستوى الطاقة حالة الأرض في FG. والنتيجة هي محو ، أي تدفق الإلكترون من FG إلى CG متبوعًا بنضوب FG. نفس المبدأ ينطبق على عملية الكتابة: V ^W _CG-S = -V ^E _CG-S لزيادة الشحن في FG (الحالة "1").

يمثل Graph 2c منطقة طاقة محاكية عند استخدام إزاحة بوابة التحكم لكتابة البيانات: V ^W _CG-S = .62.6 V. في هذه الحالة ، تتزامن مستويات الطاقة في QW1 و QW2 عمليًا ، مما يؤدي إلى اقتران قوي بين هذه الحالات ، نفق رنين وتدفق الإلكترونات من CG إلى FG.

نظرًا للاقتران بالسعة ، تعتمد توصيلية القناة على مقدار الشحن المخزن في FG ، وبالتالي ، تتم قراءة البيانات عن طريق قياس تيار مصدر البوابة عند جهد مصدر بوابة ثابت.

زيادة النفقات في FG ، أي الحالة "1" ، يقلل من الشحن في القناة ، مما يؤدي إلى انخفاض في التوصيل. في حالة الحالة "0" ، تحدث العملية العكسية. يمكن قراءة البيانات دون أي تحيز لـ CG ، ولكن الجهد ضروري للاختيار الفردي للأجهزة في مجموعة من الخلايا. بالإضافة إلى ذلك ، ينبغي أن يولد الجهد مجالًا كهربائيًا من خلال حاجز نفق الرنين ، مما سيمكن من نقل الشحنة من / إلى FG. لتحقيق هذه المهام ، فقط ~ 2.5 V. مطلوب.

ميزات الذاكرة العالمية

أثناء الاختبارات العملية ، تم إجراء القراءة بدون إزاحة صفرية بواسطة CG و V _SD = 1.0 V. ومع ذلك ، وفقًا للعلماء ، كان من الممكن تطبيق جهد أقل لقراءة ناجحة.


الصورة رقم 3

يوضح الشكل 3 أ عملية محو القراءة والكتابة والقراءة. الميزة الرئيسية للتسلسل هي عملية القراءة بعد كل خطوة محو أو كتابة.

يوضح الشكل 3 ب تسلسلًا أكثر تعقيدًا حيث لا توجد عملية قراءة واحدة بعد كل عملية محو وكتابة. بهذه الطريقة ، أثبت الباحثون أن عملية القراءة غير مدمرة.

بين الحالة "0" و "1" ، يوجد اختلاف واضح في جميع التسلسلات. ومع ذلك ، في 3b هناك علامات على تحول تصاعدي متماثل في I _SD مع زيادة عدد العمليات. في حين أن سبب هذا السلوك غير واضح ، إلا أن العلماء يعتزمون استكشاف هذا الجانب في أعمال أخرى. لكن في 3 أ ، لم يلاحظ ذلك ، لأن الجهد لمحو / الكتابة أقل قليلاً.

بعد عدة مئات من عمليات الكتابة والمسح ، وكذلك العديد من عمليات القراءة خلال العديد من الاختبارات العملية ، لم يجد العلماء أي علامات على تلف الجهاز.

من أهم ميزات جميع أنواع الذاكرة ، والتي تستند إلى تخزين الشحن ، طاقة التبديل التي تحددها طاقة الشحن للمكثف.

إن تشابه المبادئ الأساسية لتكنولوجيا ذاكرة الفلاش والذاكرة الشاملة قيد الدراسة يوحي بوجود مقارنة بين هذين النوعين من الذاكرة. إذا افترضنا أن الجهازين من هذين النوعين لهما نفس السعة بنفس حجم الغالق ، فإن طاقة تبديل الذاكرة العالمية ستكون 64 مرة أقل من طاقة ذاكرة الفلاش. تُظهر هذه الأرقام المذهلة أيضًا تفوق الذاكرة العالمية على DRAM.

وفقًا للتقديرات النظرية ، تبلغ السعة CG-FG من 10 إلى ¹² فهرنهايت لجهاز بحجم 10 × 10 ميكرون ، وتبلغ طاقة التبديل حوالي 2 × 10 - ¹² ياء. إن تقليل الحجم الفعلي للجهاز يقلل بشكل كبير من طاقة التحويل إلى 10 - ¹⁷ ج. نانومتر ، وهذا هو 100 مرة أقل من DRAM ، وأقل 1000 مرة من ذاكرة فلاش. وهذا ، وفقا لبيانات جريئة من الباحثين ، هي خصائص فريدة جدا.

تُظهر الصورة 3c بعض عمليات محو الكتابة من 3b ، حيث تكون الاختلافات بين الحالة "0" و "1" مرئية: قياسات القراءة المتتالية بعد المحو تعطي قيمة I _SD أقل قليلاً للحالة "0". ويلاحظ الموقف المعاكس مع قراءات قراءة متتابعة بعد التسجيل ، أو بالأحرى ، أنا _SD أكبر قليلاً.

يعزو العلماء هذا التأثير إلى تقلب (تقلب) البيانات. لدراسة ذلك ، أجرى العلماء سلسلة من عمليات القراءة على مدى فترة طويلة من الزمن لكل حالة ذاكرة (الصورة رقم 4).


الصورة رقم 4

أظهرت كلتا الدولتين "0" و "1" تدهورًا سريعًا أوليًا ، وهو ما يتوافق مع ما يُرى لمدة 3 ثوانٍ . ولكن بعد ذلك ، تحدث تغييرات أبطأ بكثير ، بحيث يمكن تمييز حالة المطابقتين "0" و "1" طوال فترة الملاحظة بالكامل.

كما تم إجراء تجربة أخرى (تدرج في الصورة رقم 4) ، والتي توضح التشبع الحد للتوهين الأسي والحالات القابلة للتمييز "0" و "1" في الوقت المناسب.

وجود ضعف التوهين الأسي يعني أن العديد من الآليات تقوم على تدهور الحالات في آن واحد. من بين الخيارات الممكنة ، يميز العلماء بين الأنفاق من خلال الحالات المعيبة في حواجز AlSb ، والإثارة الحرارية للإلكترونات من خلال فجوة شريط InAs الضيقة ، وإعادة التركيب مع الثقوب المولدة حرارياً.

يشير تقييم سعة الجهاز والجهد المطبق للتسجيل / المسح إلى أن حوالي 107 إلكترونات يتم نقلها من / إلى البوابة العائمة أثناء عملية الكتابة والمحو. هذا كثير جدا ، ولكن عمليا لم يلاحظ أي تأثير سلبي.

للتعرف أكثر تفصيلاً على الفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصي بأن تنظر في تقرير المجموعة البحثية .

خاتمة

لم يتمكن العلماء من تطوير نوع جديد من الذاكرة فحسب ، بل تمكنوا أيضًا من إجراء اختبارات عملية أولى ناجحة لجهاز غير متقلب وقائم على الشحن بحجم صغير في درجة حرارة الغرفة. تمكن العلماء أيضًا من الجمع بين عدم التقلب والتبديل ذي الجهد المنخفض بواسطة الخواص الميكانيكية الكمومية لحاجز نفق الرنين الثلاثي غير المتماثل. يقول الباحثون إن أجهزتهم يمكن تحجيمها دون أن تفقد كرامتها.

الأوقات تتغير ، وكذلك التقنيات. احتفظت ذاكرة فلاش و SRAM و DRAM بمكانة مهيمنة بين أجهزة الذاكرة لفترة طويلة ، ولكن هذا قد يتغير إذا استمر تطور الذاكرة العالمية بنفس النجاح الذي حققته هذه الدراسة. ستقلل هذه التكنولوجيا إلى حد كبير من استهلاك الطاقة للأجهزة المجهزة بها ، فضلاً عن إطالة عمر الخدمة وزيادة الإنتاجية.

ستُظهر الدراسات الإضافية التي خطط لها المؤلفون مدى ثورة الذاكرة ، والتي يطلق عليها العلماء بكل فخر.

شكرا لك على اهتمامك ، ابقَ فضوليًا ولديك أسبوع عمل جيدًا يا شباب!

شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ، خصم 30٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من خوادم الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1 جيجابت في الثانية من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).

ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ فقط لدينا 2 من Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6 جيجا هرتز 14 جيجا بايت 64 جيجا بايت DDR4 4 × 960 جيجا بايت SSD 1 جيجابت في الثانية 100 TV من 199 دولار في هولندا! Dell R420 - 2x E5-2430 سعة 2 جيجا هرتز 6 جيجا بايت 128 جيجا بايت ذاكرة DDR3 2x960GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية 100 تيرابايت - من 99 دولارًا! اقرأ عن كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟