यूनिवर्सल मेमोरी: SRAM, DRAM और फ्लैश मेमोरी एक बोतल में

आजकल, एक से अधिक प्रकार की मेमोरी है, जिनमें से प्रत्येक का उपयोग किसी विशेष कार्य के लिए किया जाता है। वे अपने कार्यों को अच्छी तरह से सामना करते हैं, लेकिन कई कमियां हैं जो इन स्मृति विकल्पों में से किसी को भी सार्वभौमिक रूप से कॉल करना संभव नहीं बनाती हैं। अगर हम यहां पूरी दुनिया में कोलोसल डेटा ग्रोथ की समस्या और ऊर्जा संरक्षण के लिए मानव जाति की प्यास को जोड़ दें, तो कुछ नया बनाना जरूरी है। आज हम एक अध्ययन से मिलेंगे जिसमें वैज्ञानिकों ने एक नई प्रकार की मेमोरी पेश की जो फ्लैश और डीआरएएम मेमोरी दोनों के फायदों को जोड़ती है। इस नवाचार में "अच्छाई" क्या है, इसे बनाने के लिए किन तकनीकों का उपयोग किया गया था और क्या संभावनाएं हैं? हम इस बारे में अनुसंधान समूह की रिपोर्ट से सीखते हैं। चलो चलते हैं।

अध्ययन का आधार

मेमोरी कई प्रकार की होती है, और उन सभी को एक विशिष्ट कार्य के लिए बनाया गया था: SRAM (स्टैटिक रैंडम एक्सेस मेमोरी) कैश के लिए, DRAM (डायनेमिक रैंडम एक्सेस मेमोरी) एक्टिव मेमोरी के लिए, डाटा स्टोरेज के लिए फ्लैश मेमोरी आदि। हालांकि, जैसा कि अपेक्षित था, उपरोक्त प्रकार की प्रत्येक स्मृति के अपने व्यक्तिगत दोष हैं।

उदाहरण के लिए, फ्लैश मेमोरी, जो स्टोरेज चार्ज के लिए फ्लोटिंग गेट (एफजी) के साथ एमओएस ट्रांजिस्टर (मेटल ऑक्साइड सेमीकंडक्टर) का एक संग्रह है। डेटा को एफजी में रखे गए आवेश की मात्रा के रूप में इस तरह के एक अवतार में प्रस्तुत किया जाता है, जिसे ऑक्साइड परतों द्वारा अलग किया जाता है।

वैज्ञानिकों के अनुसार, नुकसान यह है कि रिकॉर्डिंग और मिटाने के लिए, नियंत्रण शटर (CG) द्वारा नियंत्रण के लिए एक पर्याप्त उच्च वोल्टेज की आवश्यकता होती है, आमतौर पर ± 20 V ^{2 के} बारे में। यह प्रक्रिया धीमी है, और पावर सर्ज द्वारा प्रेरित विफलता तंत्र डिवाइस के जीवन में कमी की ओर जाता है।

इस माइनस के बावजूद, एक बल्कि प्रभावशाली प्लस है - चैनल चालकता की जांच करके डेटा पढ़ा जाता है, जिसके लिए बहुत कम वोल्टेज की आवश्यकता होती है। इसके कारण, डेटा बरकरार रहता है, जिसे गैर-विनाशकारी रीडिंग कहा जाता है।

DRAM, बदले में, फ्लैश मेमोरी की तुलना में बहुत तेज है, यही कारण है कि इसका उपयोग सक्रिय कंप्यूटिंग प्रक्रियाओं के लिए किया जाता है, इसलिए बोलने के लिए। DRAM का नुकसान यह है कि जब यह पढ़ा जाता है तो डेटा कोशिकाओं से खो जाता है। इसके अलावा, डेटा को संग्रहित करने के लिए उपयोग किए जाने वाले कैपेसिटर से चार्ज लीक होता है।

SRAM भी एक काफी तेज़ मेमोरी प्रकार है और डेटा DRAM की तरह नहीं है। हालांकि, एक नियम के रूप में, प्रति सेल 6 ट्रांजिस्टर का उपयोग किया जाता है, अर्थात, आपको चिप पर बहुत अधिक क्षेत्र की आवश्यकता होती है।

शास्त्रीय प्रकार की स्मृति की उपर्युक्त कमियों को प्रस्तुत करने के बाद, वैज्ञानिक एक वैकल्पिक या संकर विकल्प खोजने के महत्व पर जोर देते हैं जो इस तरह की समस्याओं से मुक्त होगा, जबकि अपने पूर्ववर्तियों के सभी लाभों को जोड़ते हुए।

इस काम में, शोधकर्ताओं ने उनके ध्यान को एक नए प्रकार की स्मृति - एक नया लो-वोल्टेज, सेमीकंडक्टर, चार्ज-आधारित, एक कॉम्पैक्ट रूप के गैर-वाष्पशील मेमोरी डिवाइस, कमरे के तापमान पर काम करने के लिए पेश किया। शोधकर्ताओं ने उनकी संतानों को "सार्वभौमिक स्मृति" (सरल, लेकिन स्वादिष्ट) कहा।

यह उपकरण एक फ्लोटिंग गेट के साथ एक मेमोरी है, जिसे InAs / AlSb / GaSb heterostructures के आधार पर बनाया गया है, जहाँ InAs को फ़्लोटिंग गेट के रूप में और संक्रमण के बिना चैनल के रूप में उपयोग किया जाता है।

वैज्ञानिकों ने एकल-कोशिका प्रोटोटाइप के लिए सिमुलेशन और वास्तविक परीक्षण परिणाम प्रदान किए हैं।

अनुसंधान के परिणाम

चित्र संख्या 1

ऊपर दी गई छवि डिवाइस का एक योजनाबद्ध दृश्य और एक PREM (ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप) की एक छवि दिखाती है।

जैसे कि फ्लैश मेमोरी के मामले में, इस उपकरण में चार्ज को FG में संग्रहीत किया जाता है, लेकिन एक ही समय में ऑक्साइड बाधाएं नहीं होती हैं। इसके बजाय, अर्धचालक के तथाकथित 6.1-of परिवार में चालन बैंड की एक पारी का उपयोग किया गया था। यही है, मेमोरी सेल में अंतर्निहित डिवाइस एक एमओएस ट्रांजिस्टर की तुलना में उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता ट्रांजिस्टर (एचईएमटी) की तरह है। आईएएनएस एक चैनल बनाता है जिसमें संक्रमण नहीं होते हैं। हालांकि, गैर-डोपिंग का उपयोग अनजाने पृष्ठभूमि डोपिंग की क्षतिपूर्ति करने और अंतर्निहित Gab में Ga रिक्तियों को रखने के लिए किया गया था। ये दोनों कार्य स्वाभाविक रूप से पी-प्रकार की परतें बनाते हैं।

pn जंक्शन * विभिन्न प्रकार की चालकता के साथ दो अर्धचालकों का संपर्क क्षेत्र है - p (छेद) और n (इलेक्ट्रॉनिक)।

चित्र संख्या 2

ग्राफ 2 ए ऊर्जा बैंड के सिम्युलेटेड संरेखण, साथ ही साथ पूर्वाग्रह की अनुपस्थिति में परतों में इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों के घनत्व को दर्शाता है। सिमुलेशन के साथ सैद्धांतिक डेटा, प्रदर्शित करता है कि आईएएनएस चालन बैंड आईएएनएस और GaSb इंटरफ़ेस में GaSb वैलेंस बैंड के नीचे है। और यह इलेक्ट्रॉनों को GaSb परत से InAs परत तक स्थानांतरित करता है, जिसके बाद छेद GaSb में रहते हैं।

छेद * एक अधूरा वैधता बंधन है, जो इलेक्ट्रॉन के आवेश के बराबर धनात्मक आवेश के रूप में प्रकट होता है।

जमा किए गए इलेक्ट्रॉनों / छेद इनएज़ और गॉस्ब के बीच के इंटरफेस में दिखाई देते हैं, लेकिन इनैस चैनल में इनेक्स / गॉस्ब इंटरफेस से जुड़े नहीं हैं, और उनका घनत्व पूरे आईएएनएस में देखा जाता है। पूरे चैनल की चालकता, इनैस में इलेक्ट्रॉनों द्वारा हावी है, जिसमें गास्ब में छेद की तुलना में अधिक गतिशीलता और उच्च घनत्व होगा।

InAs परत की आंतरिक FG को AlSb बैरियर (15 एनएम) द्वारा InAs चैनल से अलग किया जाता है। इसी समय, डबल * InA क्वांटम कुओं और तीन AlSb बाधाओं को n-डोपिंग के साथ FG और CG InAs के बीच एक गुंजयमान सुरंग अवरोधक के रूप में कार्य करता है।

क्वांटम वेल * - दो-आयामी आयाम (तीन आयामी के बजाय) में कणों की गति को सीमित करता है, जिसके कारण वे केवल एक सपाट परत में ही स्थानांतरित हो सकते हैं।

इसलिए, अध्ययन के तहत डिवाइस में, एनाएस परत के एफजी में संग्रहीत इलेक्ट्रॉनों को अलस्सब के साथ चालन बैंड में विसंगतियों में बड़े अंतर से अलग किया जाता है। इसका मतलब है कि आप एक चार्ज लिमिटिंग सिस्टम प्राप्त कर सकते हैं, जिसमें 1014 वर्ष के बराबर कमरे के तापमान पर भंडारण का समय होगा।

अध्ययन के तहत डिवाइस के संचालन का सबसे महत्वपूर्ण पहलू यह तथ्य है कि ट्रिपल गुंजयमान टनलिंग बैरियर में दो क्वांटम कुओं (QW1 और QW2) की मोटाई अलग-अलग होती है, अर्थात, अलग-अलग ऊर्जा वाले सीमित राज्य होते हैं ( 2a )। चूंकि QW1 QW1 की तुलना में पतला है, QW2 में इलेक्ट्रॉनों के लिए केवल उपलब्ध ऊर्जा स्तर QW1 में समकक्ष से अधिक ऊर्जा है। इसके अलावा, QW1 में राज्य पड़ोसी सीजी क्षेत्र में राज्य की तुलना में काफी अधिक ऊर्जा है। यह सीजी और एफजी के बीच प्रत्यक्ष इलेक्ट्रॉन टनलिंग को रोकता है, और इलेक्ट्रॉन ट्रांसफर बैरियर को सीजी से एफजी (या इसके विपरीत) 2.1 ईवी द्वारा आईएएनएस / एलएसबी कंडक्शन बैंड की एक शिफ्ट द्वारा निर्धारित किया जाता है, अर्थात चार्ज एफजी से / से प्रवाह नहीं होगा।

फ्लोटिंग गेट (FG) में जमीन और प्राथमिक उत्साहित राज्य दोनों QW के अंदर ऊर्जा राज्यों से अच्छी तरह से नीचे स्थित हैं। इसलिए, जब कोई वोल्टेज लागू नहीं किया जाता है, तो इलेक्ट्रॉनों को एफजी के अंदर बंद कर दिया जाता है, अर्थात। ट्रिपल गुंजयमान टनलिंग अवरोध इलेक्ट्रॉनों के लिए / FG से / के लिए अपरिहार्य हो जाता है। इस प्रकार, गैर-अस्थिरता हासिल की जाती है।

यदि एक नगण्य वोल्टेज को कंट्रोल गेट (सीजी) पर लागू किया जाता है, तो गुंजयमान सुरंग अवरोधक के अंदर ऊर्जा राज्यों के युग्मन को समायोजित करना संभव है, जो इलेक्ट्रॉनों को स्वतंत्र रूप से ( 2 बी ) या ( 2 सी ) फ्लोटिंग गेट से गुजरने की अनुमति देगा।

प्रयोगों के दौरान, कमरे के तापमान पर इलेक्ट्रोस्टैटिक्स से सुरक्षित एक अंधेरे बॉक्स में कई कोशिकाओं (शटर आकार 10 x 10 माइक्रोन) में सभी पढ़े, लिखे और मिटाए गए ऑपरेशन किए गए थे। रिकॉर्डिंग और मिटाने सहित सभी ऑपरेशन, which 2.6 V की ऑफसेट पर किए गए, जो लगभग एक परिमाण का एक आदेश है, जो एक फ्लैश मेमोरी सेल के साथ पूर्ण संचालन के लिए आवश्यक से कम है, शोधकर्ताओं ने जोर दिया। सीजी और स्रोत के बीच +2.5 या +2.6 वी द्वारा नियंत्रण गेट (वी ^ई _{सीजी-एस} ) को स्थानांतरित करके इरेज़िंग का प्रदर्शन किया गया था, जिसके कारण राज्य "0" था।

चित्रा 2 बी +2.6 वी के एक एर्ग्रास वोल्टेज के साथ प्राप्त ऊर्जा बैंड का एक सिम्युलेटेड संरेखण दिखाता है। ऐसी परिस्थितियों में, QW1 में गणना की गई इलेक्ट्रॉन ऊर्जा का स्तर QW2 के स्तर से कम है, जबकि दोनों पहले उत्तेजित अवस्था से नीचे हैं और ऊर्जा स्तर के करीब हैं एफजी में जमीनी स्थिति। परिणाम एक इरेज़र है, अर्थात, एफजी से सीजी तक एक इलेक्ट्रॉन प्रवाह और उसके बाद एफजी की कमी। एक ही सिद्धांत लिखने के संचालन के लिए काम करता है: वीजी _{सीजी-एस} = -वी ^ई _{सीजी-एस} एफजी (राज्य "1") में चार्ज बढ़ाने के लिए।

ग्राफ़ 2 सी एक सिम्युलेटेड एनर्जी ज़ोन होता है जब डेटा रिकॉर्डिंग के लिए कंट्रोल गेट ऑफ़सेट का उपयोग किया जाता है: वी ^{डब्ल्यू} _{सीजी-एस} = sim2.6 वी। इस मामले में, QW1 और QW2 में ऊर्जा का स्तर व्यावहारिक रूप से मेल खाता है, जो इन राज्यों के एक मजबूत युग्मन की ओर जाता है, प्रतिध्वनित सुरंग और प्रवाह। CG से FG तक के इलेक्ट्रॉन।

कैपेसिटिव कपलिंग के कारण, चैनल चालकता एफजी में संग्रहीत चार्ज की मात्रा पर निर्भर करती है, इसलिए, डेटा को एक निश्चित गेट-सोर्स वोल्टेज पर गेट-सोर्स करंट को मापकर पढ़ा जाता है।

FG में चार्ज वृद्धि, अर्थात राज्य "1", चैनल में चार्ज को कम करता है, जिससे इसकी चालकता में कमी होती है। राज्य "0" के मामले में, रिवर्स प्रक्रिया होती है। डेटा को बिना किसी पूर्वाग्रह के सीजी तक पढ़ा जा सकता है, लेकिन कोशिकाओं के एक सरणी में उपकरणों के व्यक्तिगत चयन के लिए वोल्टेज आवश्यक है। इसके अलावा, वोल्टेज को गुंजयमान टनलिंग बैरियर के माध्यम से एक विद्युत क्षेत्र उत्पन्न करना चाहिए, जिससे चार्ज को / से FG में स्थानांतरित करना संभव होगा। इन कार्यों को प्राप्त करने के लिए केवल ~ 2.5 V. की आवश्यकता होती है।

यूनिवर्सल मेमोरी सुविधाएँ

व्यावहारिक परीक्षणों के दौरान, सीजी और वी _एसडी = 1.0 वी द्वारा शून्य ऑफसेट के साथ रीडिंग का प्रदर्शन किया गया था। हालांकि, वैज्ञानिकों के अनुसार, एक सफल रीडिंग के लिए कम वोल्टेज लागू करना संभव था।


चित्र संख्या 3

चित्र 3 ए इरेज़-रीड-राइट-रीड प्रक्रिया को दर्शाता है। अनुक्रम की मुख्य विशेषता प्रत्येक मिटा या लिखने के चरण के बाद पढ़ा जाने वाला ऑपरेशन है।

चित्रा 3 बी एक अधिक जटिल अनुक्रम दिखाता है जिसमें प्रत्येक मिटाए जाने और ऑपरेशन लिखने के बाद एक रीड ऑपरेशन नहीं होता है, लेकिन कई। इस तरह, शोधकर्ता दर्शाते हैं कि रीड ऑपरेशन नॉन-डिस्ट्रक्टिव है।

राज्य "0" और "1" के बीच सभी अनुक्रमों में स्पष्ट अंतर है। हालाँकि, 3b पर I _SD में एक सममित ऊपर की ओर शिफ्ट होने के संकेत हैं क्योंकि संचालन की संख्या बढ़ जाती है। हालांकि इस व्यवहार का कारण स्पष्ट नहीं है, लेकिन वैज्ञानिक आगे के कामों में इस पहलू का पता लगाने का इरादा रखते हैं। लेकिन 3 ए पर यह मनाया नहीं जाता है, क्योंकि मिटाने / लिखने के लिए वोल्टेज थोड़ा कम है।

कई सौ लिखने और ऑपरेशन को मिटाने के साथ-साथ कई व्यावहारिक परीक्षणों के दौरान कई पढ़े गए ऑपरेशनों के बाद, वैज्ञानिकों को डिवाइस को नुकसान के कोई संकेत नहीं मिले।

सभी प्रकार की मेमोरी की एक महत्वपूर्ण विशेषता, जो चार्ज स्टोरेज पर आधारित है, संधारित्र की चार्जिंग ऊर्जा द्वारा निर्धारित स्विचिंग एनर्जी है।

फ्लैश मेमोरी तकनीक के मूलभूत सिद्धांतों और अध्ययन के तहत सार्वभौमिक स्मृति की समानता इन दो प्रकार की स्मृति की तुलना करने का सुझाव देती है। अगर हम यह मान लें कि इन दोनों प्रकार के दो उपकरणों में समान शटर आकार के साथ समान क्षमता है, तो सार्वभौमिक मेमोरी की स्विचिंग ऊर्जा फ्लैश मेमोरी की तुलना में 64 गुना कम होगी। ये आश्चर्यजनक संख्याएँ DRAM पर सार्वभौमिक स्मृति की श्रेष्ठता को भी दर्शाती हैं।

सैद्धांतिक अनुमानों के अनुसार, CG-FG समाई 10 x 10 माइक्रोन के आकार वाले डिवाइस के लिए 10 ^-12 F के क्रम की है, और स्विचिंग ऊर्जा लगभग 2 x 10 ^-12 जे है। डिवाइस के भौतिक आकार को तेजी से कम करने से आकार 20 के डिवाइस के लिए स्विचिंग ऊर्जा 10 ^-17 J तक कम हो जाती है। एनएम, और यह डीआरएएम से 100 गुना कम है, और फ्लैश मेमोरी के लिए 1000 गुना कम है। और यह, शोधकर्ताओं के बोल्ड बयानों के अनुसार, बहुत अनूठी विशेषताओं है।

चित्र 3c में 3b से कुछ लिखने-मिटाने के संचालन को दिखाया गया है, जहां राज्य "0" और "1" के बीच के अंतर दिखाई देते हैं: मिटाए जाने के बाद लगातार पढ़े गए माप I को राज्य के लिए थोड़ा कम करते हैं "0"। विपरीत स्थिति रिकॉर्डिंग के बाद अनुक्रमिक रीड माप के साथ देखी जाती है, या बल्कि, मैं _एसडी थोड़ा बड़ा है।

वैज्ञानिक इस प्रभाव को डेटा की परिवर्तनशीलता (अस्थिरता) के लिए जिम्मेदार मानते हैं। इसका अध्ययन करने के लिए, वैज्ञानिकों ने स्मृति की प्रत्येक स्थिति (छवि संख्या 4) के लिए लंबे समय तक पढ़ने के संचालन का एक क्रम किया।


चित्र संख्या 4

दोनों राज्यों "0" और "1" ने एक प्रारंभिक तेज क्षय दिखाया, जो कि 3 एस के लिए देखा गया है के अनुरूप है। लेकिन इसके बाद, बहुत धीमे परिवर्तन होते हैं, ताकि अवलोकन के पूरे समय के दौरान संबंधित राज्यों "0" और "1" स्पष्ट रूप से विशिष्ट हैं।

एक अन्य प्रयोग भी किया गया (छवि क्रमांक 4 पर डालें), जो समय के साथ घातीय क्षीणन और अलग-अलग अवस्थाओं की सीमित संतृप्ति दर्शाता है।

डबल घातीय क्षीणन के अस्तित्व का मतलब है कि कई तंत्र एक साथ राज्यों के क्षरण को कम करते हैं। संभावित विकल्पों में से, वैज्ञानिकों ने अलस्स अवरोधों में दोषपूर्ण अवस्थाओं के माध्यम से सुरंगों को अलग किया, संकीर्ण आयनों बैंड अंतराल के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों का थर्मल उत्तेजना, और थर्मली उत्पन्न छेद के साथ पुनर्संयोजन।

रिकॉर्डिंग और मिटाने के लिए डिवाइस के समाई और लागू वोल्टेज का मूल्यांकन इंगित करता है कि लगभग 107 इलेक्ट्रॉनों को लेखन और मिटाने के संचालन के दौरान / से फ़्लोटिंग गेट पर स्थानांतरित किया जाता है। यह काफी है, लेकिन व्यावहारिक रूप से कोई नकारात्मक प्रभाव नहीं देखा गया है।

अध्ययन की बारीकियों के साथ एक अधिक विस्तृत परिचित के लिए, मेरा सुझाव है कि आप अनुसंधान समूह की रिपोर्ट देखें ।

उपसंहार

वैज्ञानिकों ने न केवल एक नए प्रकार की मेमोरी विकसित करने में कामयाब रहे, बल्कि कमरे के तापमान पर एक कॉम्पैक्ट आकार के गैर-वाष्पशील, चार्ज-आधारित डिवाइस के सफल पहले व्यावहारिक परीक्षणों का संचालन करने के लिए भी। वैज्ञानिकों ने एक असममित ट्रिपल गुंजयमान टनलिंग अवरोध की क्वांटम-यांत्रिक गुणों द्वारा गैर-अस्थिरता और कम-वोल्टेज स्विचिंग को भी संयोजित करने में कामयाब रहे। शोधकर्ताओं का कहना है कि उनकी गरिमा को खोए बिना उनके उपकरण को बढ़ाया जा सकता है।

टाइम्स बदल रहे हैं, इसलिए प्रौद्योगिकियां हैं। फ्लैश मेमोरी, एसआरएएम और डीआरएएम ने लंबे समय तक स्मृति उपकरणों के बीच एक प्रमुख स्थान पर कब्जा कर लिया है, लेकिन यह बदल सकता है अगर सार्वभौमिक स्मृति का विकास इस अध्ययन में उसी सफलता के साथ जारी है। यह तकनीक इससे लैस उपकरणों की बिजली की खपत को काफी कम कर देगी, साथ ही उनकी सेवा जीवन का विस्तार करेगी और उत्पादकता बढ़ाएगी।

लेखकों द्वारा नियोजित आगे के अध्ययनों से पता चलेगा कि क्रांतिकारी स्मृति कैसे होती है, इसलिए वैज्ञानिकों द्वारा गर्व से सार्वभौमिक कहा जाता है।

आपका ध्यान के लिए धन्यवाद, जिज्ञासु बने रहें और एक अच्छा काम करने का सप्ताह है, दोस्तों!

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