Оперативная память

     Сначала давайте рассмотрим наиболее простой процесс 1T/1C, по которому производится львиная доля современной памяти.

     Ячейка  ферроэлектрической памяти похожа на 1T/1C ячейку DRAM. Единственное отличие заключается в том, что в DRAM одна из обкладок конденсатора заземлена, а в FeRAM она подключена к передающей линии (driveline).

     Запись  в ячейку памяти DRAM происходит следующим  образом: на линию данных (bitline) выставляется значение сигнала, который следует  записать в конденсатор. Для записи 1 на линию данных подается положительное  напряжение питания V_dd. После этого на управляющую линию (wordline) подается сигнал, который открывает полевой транзистор. Конденсатор заряжается, и мы имеем сохраненный бит информации. В ячейке FeRAM запись 1 происходит другим образом. Для этого на передающую линию подается положительное напряжение питания, линия данных заземляется, а полевой транзистор находится в открытом состоянии. Бинарной "1" соответствует точка 1 на графике петли гистерезиса (Рис. 2).

     Запись "0" происходит подобным образом. В DRAM линия данных подключается к земле, а транзистор открывается. В этом случае конденсатор полностью разряжается, что и соответствует бинарному "0". В FeRAM запись 0 (положительное значение поляризации материала, точка 3 на графике петли гистерезиса, см. Рис. 2) происходит после подачи положительного напряжения питания на линию данных. В этом случае передающая линия подключается к земле, а транзистор держится в открытом состоянии.

     Подводя итог под различиями в работе ячеек DRAM и FeRAM, можно сказать, что иной принцип работы ячейки ферромагнитной памяти является результатом того, что бинарным "1" и "0" соответствуют отрицательное и положительное значения поляризации, а не нулевой и единичный заряд конденсатора, как это происходит в случае с DRAM.

     Значение  ячейки памяти FeRAM можно определить после подачи положительного напряжения питания V_dd на передающую линию. Если начальная поляризация ферромагнетика негативная (позитивная), то чтение ячейки возвращает маленькое (большое) значения сигнала на линии данных. Одним из негативных свойств ячейки ферромагнитной памяти является то, что, после чтения содержимого, данные в ней перестают сохраняться. То есть, после чтения ячейки, в ней необходимо обновить значение поляризации.

     Ячейка  ферромагнитной памяти, производимая по схеме 2T/2C, состоит из двух ячеек 1T/1C (Рис. 4). Также как и ячейка 1T/1C, ячейка 2T/2C имеет управляющую линию (WordLine) и передающую линию (PlateLine), но данные с конденсаторов считываются через раздельные линии данных (BitLine и Complement BitLine). За счет этого достигается большая надежность хранения информации. А становится возможным это благодаря тому, что данные, хранящиеся в двух конденсаторах всегда противоположные. При этом напряжение между шиной данных (BitLine) и комплиментарной ей (Complement BitLine) всегда будет либо V₀ - V₁ , либо V₁ - V₀, где

     - напряжения на линии данных  и комплиментарной ей, C₀ и C₁ - емкости конденсаторов, из которых состоит ячейка, C_BitLine - паразитная емкость шины данных, а V_dd - положительное напряжение питания. Значения напряжения между линиями зависит от того, где хранится "1" в C₀ или C₁. Сигнал с конденсаторов подается на усилитель, после которого считывается значение ячейки 2T/2C. Использование усилителя, а также дополнительной ячейки 1T/1C значительно увеличивает цену такой памяти. Существенное увеличение размеров ячейки 2T/2C также играет немаловажную роль. Это приводит к тому, что в настоящий момент не может быть достигнуто высокой интеграции такой памяти. Наибольшие структуры, произведенные по такой технологии, имеют объем 1 мегабит.

     Рис.5.1.2 Схема 2T/2C

     С другой стороны, повышенная надежность таких систем позволяет с успехом использовать их в нечеловеческих условиях, в условиях космоса. Даже маленькому ребенку известно, что для того, чтобы система могла работать в космосе, она должна выдерживать изрядные доли радиации. FeRAM прекрасно зарекомендовала себя в таких условиях, что открывает неизведанные горизонты для использования этой технологии. Энергонезависимость, а, следовательно, и малое потребление энергии становятся серьезным козырем FeRAM в борьбе за лидерство на рынке технологий для космоса. Я не оговорился: именно на рынке космических технологий, так как сейчас мы наблюдаем процесс коммерциализации космических исследований, суть которого заключается не только в запуске коммерческих космических аппаратов, но и в участии транснациональных корпораций в национальных космических программах.

     Итак, о продуктах, выпущенных на рынок  производителями. Toshiba совместно с Infineon Technologies выпустила прототип 8-мегабитной микросхемы памяти FeRAM. 32-мегабитная микросхема ожидается в начале 2002 года. По заявлению Шизуо Савада (Shizuo Sawada), менеджера передовых устройств памяти фирмы Toshiba, массовое производство памяти начнется в 2003 году. В настоящий момент ведутся разработки 64-мегабитных и 128-мегабитных микросхем памяти. 32-мегабитные кристаллы будут производится по 0.25-микронному процессу, с последующим переходом на 0.20-микронный процесс. 8-мегабитные кристаллы имеют площадь 76 квадратных миллиметров и цикл записи информации от 100 до 160 нс.

     Фирмы NEC и Fujitsu, занимающиеся разработками встраиваемой FeRAM для процессоров и микроконтроллеров по процессу 2T/2C, достигли не таких значительных успехов на пути увеличения объема памяти, как фирмы Infineon и Toshiba. Это и не странно, поскольку они ставят перед собой немного другие цели. Последние достижения NEC в этой области - это 1-мегабитная структура, которая, как ожидается, будет встраиваться в смарт карты. Структура будет производиться по 0.35-микронному процессу и иметь площадь 18.7 квадратных миллиметра. Это не значит, что NEC существенно отстала в процессе производства от своих конкурентов, просто размеры ячейки 2T/2C, значительно (практически, в 2 раза) превосходят размеры ячейки 1T/1C, на основе которых производят память Toshiba и Infineon Technologies.

     Подводя итог всему вышесказанному, можно выделить то, что FeRAM имеет неоспоримые преимущества над существующими технологиями. Более того, как потомок современных технологий памяти, она взяла лучшее от своих предков. С другой стороны, память имеет ряд существенных недостатков. Большинство из них (старение и усталость материала, предпочтение диэлектриком значения сигнала и релаксация) - это результат особых свойств ферромагнитных материалов, и от них в настоящий момент достаточно сложно избавиться.

     Увеличившаяся сложность производства ферроэлектрической памяти объясняется, скорее, особенностью хранения информации в FeRAM в отличие от DRAM. Производственный процесс 2T/2C позволяет достичь большей надежности памяти, которая может быть применима в условиях космоса, однако в несколько раз усложняет производство памяти по такому процессу и увеличивает цену FeRAM. Проблемы увеличения плотности массива памяти - это временные проблемы.

     5.2  Голографическая память

     Широкие перспективы в этом плане открывает  технология оптической записи, известная  как голография: она позволяет обеспечить очень высокую плотность записи при сохранении максимальной скорости доступа к данным. Это достигается за счет того, что голографический образ (голограмма) кодируется в один большой блок данных, который записывается всего за одно обращение. А когда происходит чтение, этот блок целиком извлекается из памяти. Для чтения или записи блоков голографически хранимых на светочувствительном материале (за основной материал принят ниобат лития, LiNbO3) данных ("страниц") используются лазеры. Теоретически, тысячи таких цифровых страниц, каждая из которых содержит до миллиона бит, можно поместить в устройство размером с кусочек сахара. Причем теоретически ожидается плотность данных в 1TБ на кубический сантиметр (TB/sm3). Практически же исследователи ожидают достижения плотности порядка 10GB/sm3, что тоже весьма впечатляет, если сравнивать с используемым сегодня магнитным способом порядка нескольких MB/sm2, это без учета самого механизма устройства. При такой плотности записи оптический слой, имеющий толщину около 1cm, позволит хранить около 1ТВ данных. А если учесть, что такая запоминающая система не имеет движущихся частей, и доступ к страницам данных осуществляется параллельно, можно ожидать, что устройство будет характеризоваться плотностью в 1GB/sm3 и даже выше.

     Рис.5.2.1Голографическая установка

     Необычайные возможности топографической памяти заинтересовали ученых многих университетов и промышленных исследовательских лабораторий. Этот интерес уже довольно давно вылился в две научно-исследовательские программы. Одна из них - программа PRISM (Photorefractive Information Storage Material), целью которой является поиск подходящих светочувствительных материалов для хранения голограмм и исследование их запоминающих свойств. Вторая научно-исследовательская программа - HDSS (Holographic Data Storage System). Так же, как и PRISM, она предусматривает ряд фундаментальных исследований, и ее участниками являются те же компании. В то время как целью PRISM является поиск подходящих сред для хранения голограмм, HDSS ориентирована на разработку аппаратных средств, необходимых для практической реализации голографических запоминающих систем.

     Функционирование системы голографической памяти происходит следующим образом. На начальном этапе в этом устройстве происходит разделение луча сине-зеленого аргонового лазера на две составляющие - опорный и предметный лучи (последний является носителем самих данных). Предметный луч подвергается расфокусировке, чтобы он мог полностью освещать пространственный световой модулятор (SLM - Spatial Light Modulator), который представляет собой просто жидкокристаллическую (LCD) панель, на которой страница данных отображается в виде матрицы, состоящей из светлых и темных пикселей (двоичные данные).

     Оба луча направляются внутрь светочувствительного кристалла, где и происходит их взаимодействие. В результате этого взаимодействия образуется интерференционная картина, которая и является основой голограммы и запоминается в виде набора вариаций показателя преломления или коэффициента отражения внутри этого кристалла. При чтении данных кристалл освещается опорным лучом, который, взаимодействуя с хранимой в кристалле интерференционной картиной, воспроизводит записанную страницу в виде образа "шахматной доски" из светлых и темных пикселей (голограмма преобразует опорную волну в копию предметной). Затем этот образ направляется в матричный детектор, основой для которого служит прибор с зарядовой связью (CCD - Charge-Coupled Device или ПЗС), захватывающее всю страницу данных. При чтении данных опорный луч должен падать на кристалл под тем же самым углом, при котором производилась запись этих данных, и допускается изменение этого угла не более чем на градус. Это позволяет получить высокую плотность данных: изменяя угол опорного луча или его частоту, можно записать дополнительные страницы данных в том же самом кристалле.

     Однако  дополнительные голограммы изменяют свойства материала (а таких изменений может быть только фиксированное количество), в результате образы голограмм становятся тусклыми, что может привести к искажению данных при чтении. Этим и объясняется ограничение объема реальной памяти, которой обладает материал. Динамическая область среды определяется количеством страниц, которые она может реально вмещать, поэтому участники PRISM и занимаются исследованием ограничений на светочувствительность материалов.

     Используемая  в трехмерной голографии процедура  заключения нескольких страниц с данными в один и тот же объем называется мультиплексированием. Традиционно используются следующие методы мультиплексирования: по углу падения опорного пучка, по длине волны и по фазе, но, к сожалению, они требуют сложных оптических систем и толстых (толщиной в несколько миллиметров) носителей, что делает их непригодными для коммерческого применения, по крайней мере, в сфере обработки информации. Однако совсем недавно Bell Labs были изобретены три новых метода мультиплексирования: сдвиговое, апертурное и корреляционное, основанные на использовании изменения положения носителя относительно световых пучков. При этом сдвиговое и апертурное мультиплексирование используют сферический опорный пучок, а корреляционное - пучок еще более сложной формы. Кроме того, поскольку при корреляционном и сдвиговом мультиплексировании задействованы механические движущиеся элементы, время доступа при их применении будет примерно таким же, как и у обычных оптических дисков. Bell Labs удалось построить экспериментальный носитель на основе все того же ниобата лития, использующий технику корреляционного мультиплексирования, однако уже с плотностью записи около 226GB на квадратный дюйм.

     Другой  сложностью, возникшей на пути создания устройств голографической памяти, стал поиск подходящего материала для носителя. Большинство исследований в области голографии проводились с использованием фотореактивных материалов (главным образом, упоминавшегося выше ниобата лития), однако если они годятся для записи голографических изображений ювелирных украшений, то этого никак нельзя сказать в отношении записи информации, да еще в коммерческих устройствах: они дороги, имеют слабую чувствительность и ограниченный динамический диапазон (частотная полоса пропускания). Поэтому был разработан новый класс фотополимерных материалов, обладающих неплохими перспективами с точки зрения коммерческого применения. Фотополимеры представляют собой вещества, в которых под действием света происходят необратимые изменения, выражающиеся во флуктуациях состава и плотности. Созданные материалы имеют более продолжительный жизненный цикл (в плане хранения записанной на них информации) и устойчивы к воздействию температур, а также отличаются улучшенными оптическими характеристиками, в общем, подходят для однократной записи данных (WORM).

     Еще одна проблема - сложность используемой оптической системы. Так, для голографической  памяти не годятся светодиоды на базе полупроводниковых лазеров, применяемые  в традиционных оптических устройствах, поскольку они обладают недостаточной  мощностью, дают пучок с высокой расходимостью и, наконец, полупроводниковый лазер, генерируемый излучение в среднем диапазоне видимой области спектра, получить очень сложно. Здесь же необходим мощный лазер, дающий как можно более параллельный пучок. То же самое можно сказать и о пространственных световых модуляторах: до недавнего времени не было ни одного подобного устройства, которое можно было бы применять в системах голографической памяти. Однако времена меняются, и сегодня уже стали доступными недорогие твердотельные лазеры, появилась микроэлектромеханическая технология (MEM - Micro-Electrical Mechanical, устройства на ее основе представляют собой массивы микрозеркал размером порядка 17 микрон), как нельзя лучше подходящая на роль SLM.

     Так как интерференционные шаблоны однородно заполняют весь материал, это наделяет голографическую память другим полезным свойством - высокой достоверностью записанной информации. В то время как дефект на поверхности магнитного диска или магнитной ленты разрушает важные данные, дефект в голографической среде не приводит к потере информации, а вызывает всего лишь "потускнение" голограммы. Поскольку аппаратура HDSS для изменения угла наклона луча использует акусто-оптический дефлектор (кристалл, свойства которого изменяются при прохождении через него звуковой волны), то по общим оценкам, время извлечения смежных страниц данных составит менее 10ms. Любое традиционное оптическое или магнитное устройство памяти нуждается в специальных механических средствах для доступа к данным на различных дорожках, и время этого доступа составляет несколько миллисекунд.