Saat ini, ada lebih dari satu jenis memori, yang masing-masing digunakan untuk tugas tertentu. Mereka mengatasi tugas mereka dengan cukup baik, tetapi ada sejumlah kekurangan yang tidak memungkinkan untuk memanggil semua opsi memori ini secara universal. Jika kita menambahkan di sini masalah pertumbuhan data kolosal di seluruh dunia dan kehausan umat manusia untuk konservasi energi, perlu untuk menciptakan sesuatu yang sama sekali baru. Hari ini kita akan bertemu sebuah studi di mana para ilmuwan memperkenalkan tipe memori baru yang menggabungkan keuntungan dari memori flash dan DRAM. “Barang” apa yang dimiliki inovasi ini, teknologi apa yang digunakan untuk menciptakannya, dan bagaimana prospeknya? Kami belajar tentang ini dari laporan kelompok penelitian. Ayo pergi.
Dasar studi
Ada banyak jenis memori, dan semuanya diciptakan untuk tugas tertentu: SRAM (memori akses acak statis) untuk cache, DRAM (memori akses acak dinamis) untuk memori aktif, memori flash untuk penyimpanan data, dll. Namun, seperti yang diharapkan, masing-masing jenis memori di atas memiliki kekurangannya masing-masing.
Misalnya, memori flash, yang merupakan kumpulan transistor MOS (semikonduktor oksida logam) dengan gerbang mengambang (FG) untuk menyimpan muatan. Data disajikan dalam perwujudan seperti jumlah muatan yang disimpan dalam FG, yang diisolasi oleh lapisan oksida.
Kerugiannya, menurut para ilmuwan, adalah untuk merekam dan menghapus, diperlukan tegangan yang cukup tinggi untuk kontrol oleh rana kontrol (CG), biasanya sekitar ± 20 V
2 . Proses ini lambat, dan mekanisme kegagalan yang disebabkan oleh lonjakan daya menyebabkan pengurangan masa pakai perangkat.
Meskipun minus ini, ada plus yang lebih mengesankan - data dibaca dengan memeriksa konduktivitas saluran, yang membutuhkan tegangan sangat kecil. Karena itu, data tetap utuh, yang disebut pembacaan non-destruktif.
DRAM, pada gilirannya, jauh lebih cepat daripada memori flash, itulah sebabnya ia digunakan untuk proses komputasi aktif. Kerugian dari DRAM adalah bahwa data hilang dari sel ketika dibaca. Selain itu, terjadi kebocoran biaya dari kapasitor yang digunakan untuk menyimpan data.
SRAM juga jenis memori yang cukup cepat dan data tidak hilang seperti di DRAM. Namun, sebagai aturan, 6 transistor per sel digunakan, yaitu, Anda membutuhkan banyak area pada chip.
Setelah mempresentasikan kekurangan yang dijelaskan di atas dari tipe memori klasik, para ilmuwan menekankan pentingnya menemukan alternatif atau opsi hibrida yang akan bebas dari masalah seperti itu, sambil menggabungkan semua keuntungan dari pendahulunya.
Dalam karya ini, para peneliti menyampaikan kepada mereka visi mereka tentang tipe memori baru - tegangan rendah, semikonduktor baru, berbasis muatan, perangkat memori non-volatile dari bentuk kompak, yang beroperasi pada suhu kamar. Para peneliti menjuluki anak mereka sebagai "memori universal" (sederhana, tapi enak).
Perangkat ini adalah memori dengan gerbang mengambang, dibuat berdasarkan heterostruktur InAs / AlSb / GaSb, di mana InAs digunakan baik sebagai gerbang mengambang dan sebagai saluran tanpa transisi.
Para ilmuwan telah memberikan simulasi dan hasil tes aktual untuk prototipe sel tunggal.
Hasil penelitian
Gambar No. 1Gambar di atas menunjukkan tampilan skematis perangkat dan gambar PREM (mikroskop elektron transmisi).
Seperti dalam kasus memori flash, dalam perangkat ini muatannya disimpan dalam FG, tetapi pada saat yang sama tidak ada penghalang oksida. Sebaliknya, pergeseran pita konduksi dalam apa yang disebut keluarga semikonduktor 6.1-Å digunakan. Artinya, perangkat yang mendasari sel memori lebih seperti transistor mobilitas elektron tinggi (HEMT) daripada transistor MOS. InAs membentuk saluran yang tidak mengandung transisi. Namun, n-doping digunakan untuk mengkompensasi doping latar belakang yang tidak disengaja dan untuk menjaga lowongan Ga di GaSb yang mendasarinya. Kedua tugas ini secara alami membuat layer tipe-p.
pn junction * adalah bidang kontak dua semikonduktor dengan berbagai jenis konduktivitas - p (lubang) dan n (elektronik).
Gambar No. 2Grafik
2a menunjukkan keselarasan disimulasikan pita energi, serta kepadatan elektron dan lubang di lapisan tanpa adanya bias. Data teoritis, bersama dengan simulasi, menunjukkan bahwa pita konduksi InAs berada di bawah pita valensi GaSb di antarmuka InAs dan GaSb. Dan ini mengarah pada transfer elektron dari lapisan GaSb ke lapisan InAs, setelah itu lubang tetap ada di GaSb.
Lubang * adalah ikatan valensi yang tidak terisi, memanifestasikan dirinya sebagai muatan positif yang sama dengan muatan elektron.
Akumulasi elektron / lubang terlihat di antarmuka antara InAs dan GaSb, tetapi elektron dalam saluran InAs tidak terhubung ke antarmuka InAs / GaSb, dan kepadatannya diamati di seluruh InAs. Konduktivitas seluruh saluran didominasi oleh elektron dalam InAs, yang akan memiliki mobilitas lebih tinggi dan kepadatan lebih tinggi daripada lubang di GaSb.
FG internal lapisan InAs diisolasi dari saluran InAs oleh penghalang AlSb (15 nm). Pada saat yang sama,
sumur kuantum InA
* ganda dan tiga hambatan AlSb bertindak sebagai penghalang penerowongan resonan antara FG dan CG InAs dengan n-doping.
Quantum well * - membatasi pergerakan partikel dalam dimensi dua dimensi (bukan tiga dimensi), karena itu mereka hanya dapat bergerak dalam lapisan datar.
Oleh karena itu, dalam perangkat yang diteliti, elektron yang disimpan dalam FG dari lapisan InAs diisolasi oleh celah anomali besar dalam pita konduksi dengan AlSb. Ini berarti bahwa Anda bisa mendapatkan sistem pembatas muatan, yang akan memiliki waktu penyimpanan pada suhu kamar sama dengan 1014 tahun.
Aspek yang paling penting dari pengoperasian perangkat yang sedang dipelajari adalah fakta bahwa dua sumur kuantum (QW1 dan QW2) dalam penghalang tunneling tiga resonan memiliki ketebalan yang berbeda, yaitu, keadaan terbatas dengan energi yang berbeda terjadi (
2a ). Karena QW2 lebih tipis dari QW1, satu-satunya tingkat energi yang tersedia untuk elektron di QW2 memiliki energi lebih tinggi daripada yang setara di QW1. Selain itu, keadaan di QW1 memiliki energi yang secara signifikan lebih tinggi daripada keadaan di wilayah CG yang berdekatan. Dengan cara ini, tunneling elektron langsung antara CG dan FG dicegah, dan penghalang transfer elektron dari CG ke FG (atau sebaliknya) ditentukan oleh pergeseran pita konduksi InAs / AlSb sebesar 2.1 eV, mis. Muatan tidak akan mengalir ke / dari FG.
Tanah dan keadaan tereksitasi primer di gerbang mengambang (FG) terletak jauh di bawah keadaan energi di dalam kedua QW. Oleh karena itu, ketika tidak ada tegangan yang diberikan, elektron terkunci di dalam FG, mis. penghalang tunneling tiga resonansi menjadi tidak dapat diatasi untuk elektron ke / dari FG. Dengan demikian, non-volatilitas tercapai.
Jika tegangan yang tidak signifikan diterapkan ke gerbang kontrol (CG), maka dimungkinkan untuk menyesuaikan kopling keadaan energi di dalam penghalang penerobosan resonansi, yang akan memungkinkan elektron untuk secara bebas melewati dari (
2b ) atau (
2c ) gerbang mengambang.
Selama percobaan, semua operasi baca, tulis, dan hapus dilakukan dalam beberapa sel (ukuran rana 10 x 10 μm) dalam kotak gelap yang terlindung dari elektrostatik pada suhu kamar. Semua operasi, termasuk merekam dan menghapus, dilakukan pada offset ≤ 2,6 V, yang kira-kira urutan besarnya lebih rendah dari yang diperlukan untuk operasi penuh dengan sel memori flash, para peneliti menekankan. Penghapusan dilakukan dengan menggeser gerbang kontrol (V
E CG-S ) sebesar +2,5 atau +2,6 V antara CG dan sumber, yang menyebabkan status "0".
Gambar
2b menunjukkan keselarasan simulasi pita energi yang diperoleh dengan tegangan penghapusan +2,6 V. Dalam keadaan seperti itu, tingkat energi elektron yang dihitung di QW1 lebih rendah daripada tingkat di QW2, sementara keduanya berada di bawah keadaan tereksitasi pertama dan dekat dengan tingkat energi keadaan dasar dalam FG. Hasilnya adalah penghapusan, mis., Fluks elektron dari FG ke CG diikuti oleh penipisan FG. Prinsip yang sama berlaku untuk operasi penulisan:
VW CG-S = -V
E CG-S untuk meningkatkan muatan dalam FG (status “1”).
Grafik
2c adalah zona energi simulasi ketika offset gerbang kontrol digunakan untuk menulis data: VW
CG-S = .62,6 V. Dalam hal ini, level energi di QW1 dan QW2 secara praktis bertepatan, yang mengarah ke penggandengan kuat kondisi-kondisi ini, tunneling resonansi dan aliran elektron dari CG ke FG.
Karena kopling kapasitif, konduktivitas saluran tergantung pada jumlah muatan yang disimpan dalam FG, oleh karena itu, data dibaca dengan mengukur arus sumber gerbang pada tegangan sumber gerbang tetap.
Menagih kenaikan FG, mis. menyatakan "1", mengurangi muatan di saluran, yang menyebabkan penurunan konduktivitasnya. Dalam keadaan "0", proses sebaliknya terjadi. Data dapat dibaca tanpa bias ke CG, tetapi tegangan diperlukan untuk pemilihan individu perangkat dalam array sel. Selain itu, tegangan harus menghasilkan medan listrik melalui penghalang tunneling resonansi, yang akan memungkinkan untuk mentransfer muatan dari / ke FG. Untuk mencapai tugas-tugas ini, hanya ~ 2.5 V. diperlukan.
Fitur Memori Universal
Selama tes praktis, pembacaan dilakukan dengan offset nol oleh CG dan V
SD = 1.0 V. Namun, menurut para ilmuwan, dimungkinkan untuk menerapkan tegangan yang lebih sedikit untuk pembacaan yang sukses.
Gambar No. 3Gambar
3a menunjukkan proses hapus-baca-tulis-baca. Fitur utama dari urutan adalah operasi baca setelah setiap langkah hapus atau tulis.
Gambar
3b menunjukkan urutan yang lebih rumit di mana setelah setiap operasi menghapus dan menulis tidak ada satu operasi baca, tetapi beberapa. Dengan cara ini, para peneliti menunjukkan bahwa operasi baca tidak merusak.
Antara status "0" dan "1" ada perbedaan yang jelas dalam semua urutan. Namun, pada
3b ada tanda-tanda pergeseran ke atas simetris di I
SD karena jumlah operasi meningkat. Meskipun alasan perilaku ini tidak jelas, tetapi para ilmuwan bermaksud untuk mengeksplorasi aspek ini dalam penelitian lebih lanjut. Tetapi pada
3a ini tidak diamati, karena tegangan untuk menghapus / menulis sedikit lebih rendah.
Setelah beberapa ratus operasi tulis dan hapus, serta banyak operasi baca selama beberapa tes praktis, para ilmuwan tidak menemukan tanda-tanda kerusakan pada perangkat.
Fitur penting dari semua jenis memori, yang didasarkan pada penyimpanan muatan, adalah energi switching yang ditentukan oleh energi pengisian kapasitor.
Kesamaan prinsip-prinsip dasar teknologi memori flash dan memori universal yang diteliti menunjukkan perbandingan kedua jenis memori ini. Jika kita mengasumsikan bahwa dua perangkat dari kedua jenis ini memiliki kapasitas yang sama dengan ukuran rana yang sama, maka energi peralihan dari memori universal akan 64 kali lebih kecil dari pada memori flash. Angka-angka luar biasa ini juga menunjukkan keunggulan memori universal dibandingkan DRAM.
Menurut perkiraan teoritis, kapasitansi CG-FG adalah dari urutan 10
-12 F untuk perangkat dengan ukuran 10 x 10 μm, dan energi switching sekitar 2 x 10
-12 J. Mengurangi ukuran fisik perangkat secara tajam mengurangi energi switching menjadi 10
-17 J untuk perangkat berukuran 20 nm, dan ini 100 kali lebih kecil dari untuk DRAM, dan 1000 kali lebih sedikit dari memori flash. Dan ini, menurut pernyataan berani para peneliti, adalah karakteristik yang sangat unik.
Gambar
3c menunjukkan beberapa operasi penghapus dari
3b , di mana perbedaan antara status "0" dan "1" terlihat: pengukuran pembacaan berurutan setelah penghapusan memberikan I
SD yang sedikit lebih rendah untuk status "0". Situasi yang berlawanan diamati dengan pengukuran membaca berurutan setelah perekaman, atau lebih tepatnya, I
SD sedikit lebih besar.
Para ilmuwan menghubungkan efek ini dengan variabilitas (volatilitas) data. Untuk mempelajari ini, para ilmuwan melakukan urutan operasi baca selama periode waktu yang lama untuk setiap keadaan memori (gambar No. 4).
Gambar No. 4Kedua negara "0" dan "1" menunjukkan pembusukan cepat awal, yang konsisten dengan apa yang terlihat selama
3s . Tetapi setelah ini, banyak perubahan yang lebih lambat terjadi, sehingga selama seluruh waktu pengamatan, status yang sesuai "0" dan "1" jelas dapat dibedakan.
Percobaan lain juga dilakukan (masukkan pada gambar No. 4), yang menunjukkan saturasi membatasi pelemahan eksponensial dan status dibedakan "0" dan "1" dalam waktu.
Adanya atenuasi eksponensial ganda berarti bahwa beberapa mekanisme mendasari degradasi negara sekaligus. Di antara opsi-opsi yang memungkinkan, para ilmuwan membedakan tunneling melalui kondisi cacat pada hambatan AlSb, eksitasi termal elektron melalui celah pita InAs yang sempit, dan rekombinasi dengan lubang yang dihasilkan secara termal.
Evaluasi kapasitansi perangkat dan tegangan yang diterapkan untuk merekam / menghapus menunjukkan bahwa sekitar 107 elektron ditransfer dari / ke gerbang mengambang selama operasi penulisan dan penghapusan. Ini cukup banyak, tetapi praktis tidak ada pengaruh negatif yang diamati.
Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian, saya sarankan Anda membaca
laporan kelompok riset .
Epilog
Para ilmuwan berhasil tidak hanya mengembangkan jenis memori baru, tetapi juga untuk melakukan tes praktis pertama yang berhasil dari perangkat berbasis muatan yang tidak mudah menguap dengan ukuran kompak pada suhu kamar. Para ilmuwan juga berhasil menggabungkan non-volatilitas dan switching tegangan rendah dengan sifat mekanis kuantum dari penghalang tunneling triple resonant asimetris. Para peneliti mengatakan bahwa perangkat mereka dapat diskalakan tanpa kehilangan martabatnya.
Waktu berubah, begitu juga teknologi. Memori flash, SRAM, dan DRAM telah lama memegang posisi dominan di antara perangkat memori, tetapi ini dapat berubah jika pengembangan memori universal berlanjut dengan kesuksesan yang sama seperti dalam penelitian ini. Teknologi ini akan sangat mengurangi konsumsi daya perangkat yang dilengkapi dengannya, serta memperpanjang usia layanan dan meningkatkan produktivitas.
Studi lebih lanjut yang direncanakan oleh penulis akan menunjukkan bagaimana memori revolusioner, sehingga dengan bangga disebut universal oleh para ilmuwan.
Terima kasih atas perhatian Anda, tetap ingin tahu dan selamat bekerja, kawan!
Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda,
diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami temukan untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki
2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang
Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?