Faasimuutmälu

Faasimuutmälu ehk PRAM on mälu, kus teabe hoidmiseks kasutatakse teatud materjali võimet muuta oma struktuuri amorfse ja kristallilise oleku vahel. Neid materjale nimetatakse kalkogeniidideks (chalcogenides, ingl. k). Kalkogeniidide erilisi omadusi on uuritud juba palju aastaid. Stanford R. Ovshinsky uuris 1960. aastal esimesena kalkogeniide kui potentsiaalseid materjale mäluelementide valmistamiseks. Esimesed mälud on turul inseneridele kättesaadavad nagu Microni toodetud 128 Mb jadaliidesega versioon. Faasimuutmälude kohta käivate publikatsioonide arv on viimastel aastatel järsult tõusnud. Seda saab seletada vajadusega uute potentsiaalsete mälutüüpide järele, mida oleks võimalik kasutada kõikvõimalike tehniliste lahenduste parendamiseks. Uutel potentsiaalsetel mälutüüpidel, nagu faasimuutmälu, on lugemise, kirjutamise, andmete hoidmise ja kulumiskindluse tunnusjooned erinevad laialt levinud tavalisematest mäludest nagu DRAM (dünaamiline suvapöördmälu), SRAM (staatiline suvapöördmälu) ja välkmälu. Faasimuutmälu tunnusjooned lähenevad kõige rohkem DRAM ja välkmälule. Faasimuutmälud on leidnud endale koha potentsiaalse välkmälude konkurendina. Mäluefekt tekib materjali faasi muutuse tõttu, kus kristallilises olekus on sellel materjalil väike ja amorfses olekus suur elektritakistus (edaspidises tekstis lihtsalt takistus). Väike takistus on mälu seatud olek (kristall) ja suur takistus on mälu algne olek (amorfne). Mälu tootmisel muutub faasimuutmaterjal kristalliliseks, mida põhjustab piisavalt kõrge temperatuur. Selle materjali amorfseks muutmiseks tuleb see kiiresti sulatada ja jahutada. Kiiret temperatuuri kasvu saab tekitada suure ja lühikese vooluimpulsiga. Faasimuutmaterjali kristalliseerimiseks tuleb seda kuumutada kristalliseerimis- ja sulamistemperatuuri vahel piisavalt kaua aega, et toimuks kristalliseerimine. Seda protsessi kutsutakse lõõmutamiseks. Lõõmutamist on võimalik läbi viia eelmisest nõrgema, kuid pikema vooluimpulsiga. Piirkonda, mida faasimuutmaterjalis kuumtöödeldakse, nimetatakse programmeerimise regiooniks. Faasimuutmälu koosneb mitmest osast, kus kogu konstruktsioon on ehitatud kahe elektroodi vahele (vaata joonist). Kõige keskel on faasimuutmaterjal, mis on läbi isolaatori takistusel põhineva kuumutiga ühenduses. Kuumuti ümber tekib programmeeritav regioon, mille faasi on temperatuuriga võimalik muuta. Kahe elektroodi vahele jääb elektrotehnilises mõttes takistite jadaühendus. Kogu ahela takistus hakkab tugevasti sõltuma programmeeritava regiooni faasist, sest jadaühenduses takistuste väärtused summeeruvad. Joonisel on näha faasimuutmaterjali läbiva voolu sõltuvus pingest kahel erineval juhul – amorfne ja kristalne. Mälu lugemiseks tuleb sellele rakendada pinget ja otsustada saadud voolu järgi, kas mälu on suure või väikse takistusega olekus. Mälu loetakse regioonis READ, kus voolud on väikesed (väikesed voolud kuumendavad materjali vähem ja ei tekita faasimuutust). Graafikul on näha pinge Vth, kus esialgselt amorfses olekus faasimuutmaterjal hakkab järsult voolu juhtima. Sellest pingest alates on võimalik mälu programmeerima hakata. SET tähistab joonisel lõõmutamise regiooni ning RESET tähistab sulatamise regiooni, kus on võimalik faasimuutmaterjal taas amorfseks muuta. Lugemise regioonis on amorfse ja kristallilise faasimuutmaterjali takistus suur, mis võimaldab seda mälude ehitamiseks kasutada. Kuigi enamik materjale esineb nii amorfses kui ka kristallilises faasis, kõlbavad neist vähesed faasimuutmäludesse integreerimiseks. Peale võimaluse stabiliseeruda mitmes faasis peab materjalil olema täidetud ka teisi tingimusi nagu faasi püsimise stabiilsus (andmete säilivus), vastupidavus kindlatele temperatuuridele (töökeskkond), korduvkasutatavus ja kiire kristalliseerumine. Faasimuutmaterjalil peab olema suur takistuse kontrast kahe faasi vahel. Takistuste suhe võib olla 105, kuid reaalsetes mäluelementides on kogu raku takistuse muutus 102, sest faasimuutmaterjal on jadamisi kuumuti ja elektroodidega, mille takistus jääb konstantseks. Faasimuutmaterjal peab omama piisavalt kõrget kristallisatsioonitemperatuuri, et kristallisatsioon ei tekiks iseenesest vähemalt 10 aasta jooksul töötades temperatuuridel 85–150 °C. On teada, et kristalliseerunud olekus püsib teadaolevate faasimuutmaterjalide takistus konstantne, kuid amorfsesse faasi viiduna nende takistus tõuseb. On selge, et selle efekti olemasolu takistab mitmebitiste väärtuste salvestamist ühele mälurakule. Peale suurepärase võimaluse muuta materjali faasi on väga oluline faasimuutmisprotsessi aeg, sest sellest otseselt sõltub toodetava mälu maksimaalne andmeedastuse kiirus. Lülituse kiirus (muutus amorfse ja kristallilise faasi vahel) sõltub kristalliseerumise ajast (lõõmutamine), viivitusest, mis kulub pinge rakendamisest piisava temperatuuri saavutamiseks ja taastumise ajast pärast lülitust. Kõige pikem protsess on kristalliseerumine. Kristalliseerumiseks kuluv aeg sõltub tugevasti materjali koostisest ja selle paksusest. Faasimuutmälu kuumenemine sõltub selle tarbitavast voolust, mille põhiliselt määrab programmeerimise jooksul tarbitav vool. Ruumiline soojustakistuste süsteem määrab põhiliselt faasimuutmaterjali programmeerimiseks tarviliku voolu. Faasimuutmäludes on põhilisteks mälurakkude jahutajateks elektroodid. Mida rohkem mälurakult soojust hajutatakse, seda suuremat voolu pulssi on programmeerimiseks vaja. Väiksema voolutarbega faasimuutmälude loomiseks tuleb põhjalikult tunda mälurakus toimuvaid soojuslikke protsesse ja erinevaid materjale. Faasimuutmaterjali soojustakistuse tõstmine ilma elektrilisi omadusi tugevasti muutmata on tõsine probleem. Sama probleem kehtib elektroodide puhul. Väga suure elektroodide soojustakistuse saavutamine on põhiline samm programmeerimiseks tarviliku voolu vähendamisel. Kõrge programmeerimisvool on suureks takistuseks faasimuutmälule leida endale kohta erinevates tehnilistes lahendustes. Peale selle tekitab kõrge programmeerimisvool suured nõuded mäluraku valijale. Kuna voolud on suured, võivad mäluraku valija poolt nõutavad mõõtmed jääda arengus alla mäluraku enda mõõtmete kahanemisele tehnoloogiapõlvkondade lõikes. See takistab faasimuutmälude andmetiheduse kasvamist. Järelikult on väikese programmeerimisvoolu tagamine tähtis nii suure mälutiheduse kui madala voolutarbe saavutamisel. Üks meetod programmeerimisvoolu vähendamiseks on tõsta kuumuti soojustakistust vähendades selle kontaktpinda alumise elektroodiga. Tavalisel seenekujulisel struktuuril on selle probleemi lahendamine piiratud litograafiaga. Selle tõttu on arendatud uusi faasimuutmäluraku struktuuride tüüpe. Äärekontaktiga (edge-contact-type, ingl. k.) struktuuriga opereerides saavutati algseadistuseks tarvilik vool IRESET 200 μA, mis on küllalt väike vool. Selline struktuur võttis aga palju pinda. Järgmisena loodi mikrosoone (μTrench, ingl. k.) struktuuriga mälurakk, mille IRESET oli 40 0μA ja kontaktpind (sõltub vertikaalsest kuumuti paksusest) alumise elektroodiga 400 nm2. Mikrosoone tehnoloogia vajas samuti litograafiat väga peene kontakti loomiseks. Et luua litograafiast sõltumatut kontaktpinda (kontaktpind, mille vajalikele mõõtmete saavutamine ei sõltu litograafiast) loodi tehnoloogia cross-spacer (ingl. k.), mis andis IRESET 80μA. Üks võimalus mälu tiheduse suurendamiseks on salvestada mitu bitti ühele pesale. Faasimuutmälud on näidanud, et see on praktiliselt võimalik, sest kahe faasi vahel on suur takistuse erinevus (102–103 korda). Kahe faasi vahele on võimalik tekitada vahepealsete takistustega olekuid. Lisades faasimuutmaterjali teisi aineid, nagu näiteks lämmastik, on võimalik takistuse ja temperatuuri kõverat muuta sujuvamaks. See võimaldab praktiliselt mitme biti hoidmist ühes mälurakus. Mitme biti salvestamiseks ühte rakku peab muutma programmeerimisvoolu signaali kuju. Saavutatud on 4-bitine mälurakk. Selle juure on täheldatud, et amorfses faasis faasimuutmaterjali takistus ajas muutub, mis viib andmete õigsuse ja säilivuse probleemi juurde. Faasimuutmaterjalide uurimisel on tulnud välja, et üliväikesed (2–5 nm kolmes mõõtmes) faasimuutmaterjali terad omavad veel võimet oma faasi muuta. Edasi on vaja uurida, kuidas on võimalik nõnda väikesed materjalihulgad laduda töötavatesse mälumaatriksitesse. Materjali omadused ja mäluraku soojuslikud näitajad viitavad võimalustele optimeerida mäluraku karakteristikuid nii, et see sobiks erinevatele tehnilistele lahendustele. Uute tehnoloogiatega valmistatud elektroodid ja faasimuutmaterjalid võivad suuresti parendada mäluraku soojuslikke omadusi, rikkumata selle elektrilisi tunnusjooni. Paremad soojuslikud näitajad tagavad kiirema töötamise ja väiksema voolutarbe. Elektriliste omaduste uurimine on tähtis faasimuutmälust täieliku ülevaate saamisel. Neid teadmisi kasutades on võimalik luua robustset mitut bitti kandvat mälupesa, mis suurendab mälutihedust ning lugemise ja kirjutamise kiirust. Kuigi siiani tarbivad faasimuutmälud palju voolu, võib tulevikus loota suurele voolutarbe vähenemisele. Kui suudetakse tõsta mälude kiirust ja vastupidavust, on tulevikus võimalik asendada DRAM-tüüpi mälusid faasimuutmäludega, mille eeliseks on andmete püsivus. Arvutiteaduse ja tehnika osakond California Ülikoolis (The Computer Science and Engineering department at the UC San Diego Jacobs School of Engineering) arendatakse asendust praegustele SSD (Solid-State Drive, ingl. k.) välkmälu baasil andmekandjatele. Välkmälu asendatakse faasimuutmäludega ning lubatud kiirused suurte pakettide lugemisel on 1,1 GB/s ja kirjutamisel 371 MB/s. Teadlased ütlevad, et selliste kiirete mäluseadmete jaoks tuleb luua uut tüüpi nüüdisaegne tarkvara. Faasimuutmälu tunnusjooned lähenevad kõige rohkem DRAM-i ja välkmäludele. Võrreldes välkmäluga saab faasimuutmälu bittide olekut muuta ilma eelneva kustutamis tsüklita (välkmälul saab bitte kirjutada ühelt nullile). Faasimuutmälu lugemine on suvalise ligipääsuga (random access), mis tähendab, et sellelt on võimalik otse programmi koodi käivitada. Alumises tabelis on toodud faasimuutmälu võrdlus teiste mäludega aastal 2009. Philip Wong, Simone Raoux, SangBum Kim, Jiale Liang, John P. Reifenberg, Bipin Rajendran, Mehdi Asheghi ja Kenneth E. Goodson,"Phase Change Memory", Proceedings of the IEEE, 98, 2010, lk 2201-2227. Kaupo Kukli, "Konkureerivad mälud: alates DRAMist (dynamic random access memory)", Nanoelektroonilised materjalid LOFY.02.045 loenguslaidid, 3, 2011, lk. 27-34. Micron faasimuutmälude kataloog, Serial PCM Part Catalog, Micron koduleht, 2011. Science Daily, "Phase Change Memory-Based 'Moneta' System Points to the Future of Computer Storage", Science Daily, 2011. Lingi tekst, Herman Mehling, "Phase Change Memory: The Next Big Thing in Data Storage?", Enterprise Storage Forum, 2010.