Главный недостаток флэш-памяти — ограниченное число циклов запись/чтение (для наиболее распространенных и дешевых устройств на основе многобитовых ячеек оно составляет примерно 10 тысяч циклов) — не критичен для мобильных гаджетов и USB-флэшек, но сильно ограничивает ее применение в стационарных компьютерных устройствах, работающих с большими массивами данных. Инженеры тайваньской компании Macronix, специализирующейся на производстве энергонезависимых устройств памяти, предложили решить эту проблему с помощью самонагревающихся флэш-чипов, сохраняющих работоспособность даже после 100 миллионов циклов чтение/запись.
Как сообщает новостной портал Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE), 11 декабря специалисты из Macronix выступят с докладом, описывающим эту разработку на очередной Международной конференции по электронной технике, проводимой IEEE в Сан-Франциско (IEEE International Electron Devices Meeting).
То, что функциональность чипов энергонезависимой памяти можно восстановить с помощью высоких температур, известно уже давно, и здесь нет ничего нового. Способ этот, однако, довольно непрактичный, так как требует нагревания микросхемы памяти до 250 градусов в течении нескольких часов.
Тайваньские инженеры решили использовать этот подход, но разогревая не всю микросхему сразу, а небольшие группы ячеек памяти с помощью микроимпульсных нагревательных элементов, встроенных непосредственно в ячейки чипа. Точечный микросекундный разогрев ограниченного числа ячеек до 800 градусов возвращает их в рабочее состояние, при этом, если такая память установлена в мобильное устройство, на заряде аккумулятора импульсный микроразогрев никак не скажется, так как операции по восстановлению ячеек будут проделываться лишь тогда, когда устройство подключено к зарядке.
Ячейки флэш-памяти представляют собой разновидность обычного метал-оксидного полупроводника, где в слой диэлектрика, изолирующего кремниевый канал и управляющий затвор, встроен дополнительный элемент — так называемый плавающий затвор, выполняющий роль ловушки туннелирующих сквозь диэлектрик электронов в то время, когда к управляющему затвору прикладывается повышенное напряжение. Когда к управляющему затвору прикладывается напряжение противоположного знака, электроны (которые могут оставаться в ловушке десятки лет) истекают обратно, и плавающий затвор теряет заряд. Приняв заряженное и разряженное состояния плавающего затвора за условный логический ноль и единицу, можно использовать такой транзистор в качестве запоминающего устройства.
Частая миграция электронов в цикле запись/чтение постепенно ухудшает изолирующие свойства диэлектрика, разделяющего управляющий и плавающий затворы, и в какой-то момент ячейка флэш-памяти дает сбой.
Путем прогрева чипа до 250 градусов в течение нескольких часов можно восстановить изолирующие свойства диэлектрика и вернуть в строй неисправные ячейки, но такой способ починки модулей флэш-памяти слишком непрактичен и затратен.
Решение было подсказано технологией так называемой «памяти RAM на фазовых переходах» (PCRAM), также разрабатываемой в Macroniх, с докладом о которой инженеры компании выступали на одной из конференций IEEE в апреле этого года. В качестве ловушки электронов в PCRAM используется халькогенидное стекло, которое в зависимости от температуры может быть или проводником, или изолятором. Обнаружив, что при периодическом сильном нагреве элементов из халькогенидного стекла до точки плавления улучшается функциональность чипов PCRAM, инженеры Macronix решили использовать этот трюк для восстановления флэш-памяти, а в качестве нагревательного элемента использовали управляющий затвор ячейки.
Сначала микросхема из-за добавленных в нее диодов получилась чересчур громоздкой, но команду Macronix это не остановило — подвергнув основательной ревизии архитектуру флэш-чипа, ей удалось компактно «затолкать» микронагреватели в ячейки и создать самовосстанавливающийся флэш-модуль приемлемых размеров.
Как показали тесты, «самонагреваемая память» успешно выдерживает до 100 миллионов циклов запись/чтение, и, по утверждению разработчиков, пока нет никаких признаков того, что ячейки начнут деградировать и при большем числе циклов. Так, следующим этапом станет выход на 1 миллиард циклов, но на это потребуется уже несколько месяцев испытаний.
В физических принципах и технологиях, позволивших решить главную проблему флэш-памяти, нет ничего нового, что, конечно же, является большим плюсом для производителей. По мнению разработчиков из Macronix, применить их можно было уже десять лет назад, когда начался резкий рост спроса на флэш-устройства.