Исследователи из Университета Рочестера разработали новый тип энергонезависимой памяти, взяв за основу хорошо известную память ReRAM (резистивную) и память PRAM (с фазовым переходом). Гибрид оказался настолько хорош, что со временем может стать наследником популярной флеш-памяти.

Двумерный материал с переключением между двумя состояниями кристаллической структуры в представлении художника. Источник изображения: University of Rochester illustration / Michael Osadciw

Как отмечают учёные, каждой памяти по отдельности — резистивной (её иногда называют мемристором) и с фазовым переходом — присущи как свои достоинства, так и недостатки. Резистивная память мало потребляет, но запись данных в виде нитевидной обратимой ионной проводимости бывает очень ненадёжной. Память с фазовым переходом без нареканий хранит информацию, но операции записи и стирания, которые переводят ячейку в кристаллическое состояние из аморфного и обратно, очень и очень энергозатратные.

Предложенный учёными гибрид создаёт такое состояние вещества, при котором оно оказывается на грани устойчивости с точки зрения кристаллической структуры. Малейший сдвиг в одну из сторон переводит ячейку памяти в кристаллическое состояние с низким или высоким удельным сопротивлением. Этот сдвиг инициируется электромагнитным полем таким же, как при переключении транзистора.

«Мы создали его, по сути, просто растягивая материал в одном направлении и сжимая его в другом, — говорят авторы работы. — Это позволяет увеличить производительность на порядки. Мы видим путь, на котором это может оказаться в домашних компьютерах в качестве сверхбыстрой и сверхэффективной формы памяти. Это может иметь большое значение для вычислительной техники в целом».

Фактически новая память представляет собой такой деформированный двумерный материал, как дителлурид молибдена (MoTe₂). Напряженные металлические тонкие плёнки MoTe₂ формируются в контакты, которые вызывают управляемый деформацией фазовый переход полуметалла в полупроводник. Фазовый переход, в свою очередь, формирует вертикальный транспортный канал (мемристор) с полупроводниковым MoTe₂ в качестве активной области.

Благодаря деформации канал переключается при напряжении всего 90 мВ. Время переключения составляет 5 нс, время удержания свыше 10⁵ с, а ожидаемое число циклов переключения свыше 10⁸. Напряжение переключения и число циклов регулируется как механически (при производстве), так и электрически в процессе регулировки прибора. Эксперименты с прототипами оказались многообещающими, что позволит учёным со временем развить успех.

Израильская компания Weebit Nano сообщила о выпуске демонстрационного чипа со встроенным блоком памяти ReRAM. Чип изготовлен с использованием 22-нм техпроцесса, что стало рекордом по снижению техпроцесса производства флеш-памяти для встраиваемых приложений — контроллеров и тому подобных чипов. Решение выпущено на пластинах FD-SOI французским институтом CEA-Leti и готово для квалификационных тестов, но клиентов на технологию как не было, так и нет.

Условное представление ячейки памяти ReRAM компании Weebit Nano. Источник изображения: Weebit Nano

По словам разработчика, техпроцесс с нормами 22 нм считается самым распространённым в мире, тогда как блоки встраиваемой флеш-памяти на этом техпроцессе никто не производит, по крайней мере серийно. И действительно, компания Samsung адаптировала производство встраиваемой памяти eMRAM к производству на пластинах FD-SOI с технологическими нормами 28 нм. С такими же нормами выпускаются контроллеры с eMRAM Everspin на линиях GlobalFoundries.

Одна компания Intel в своё время представила опытный 22-нм чип с блоком eMRAM, но вскоре она вообще отказалась от разработки и производства флеш-памяти во всех проявлениях.

Подчеркнём, речь идёт о перспективных типах энергонезависимой памяти, дальнейшее масштабирование которых пока под вопросом. В то же время подобная память, и ReRAM в частности, обещают условно бесконечное число циклов перезаписи, что понадобится умной периферии от датчиков до ИИ. Также в комплекте важных свойств идёт устойчивость к изменениям условий окружающей среды, радиации и множеству других помех, не говоря о более высокой энергоэффективности и производительности.

Новый тестовый контроллер с блоком памяти Weebit Nano содержит все необходимые блоки для тестирования производительности всех подсистем чипа. Встроенный в контроллер массив ReRAM имеет объём 8 Мбит. В контроллер входит логика управления на архитектуре RISC-V, декодеры, элементы ввода/вывода и блок исполнения кода коррекции ошибок (ECC).

В апреле прошлого года был выпущен подобный тестовый чип с использованием 28-нм техпроцесса. Теперь компания сделала следующий шаг. К сожалению, о клиентах на разработку ничего не известно, если такие есть вообще. Ранее Weebit Nano обещала начать производство у клиентов в Китае и в Южной Корее, но ничего из этого не подтвердилось.