Перспективы развития технологий флэш – памяти.

Из всех ранее рассмотренных материалов следует, что флэш — перспективная технология. В то же время, несмотря на высокие темпы роста объемов производства устройств флэш - памяти, и их очевидных достоинствах, относительно высокие цены позволяют конкурировать с ними механическим устройствам. Тем не менее, можно утверждать, что фактор цены, лишь вопрос времени.

В связи с этим, рассмотрим некоторые тенденции развития флэш - памяти.

Интегрированные решения.

Одноплатные ЭВМ типа Gumstix (см. лекцию 3) лишь промежуточные этапы на пути к реализации всех функций в одной микросхеме. На смену им идут системы «on-chip (single-chip)»представляющие собой комбинации в одном чипе флэш-памяти с контроллером, процессором, SDRAM, специальным ПО.

Далее приведем такой пример (рис. 35). ЭВМ на одном кристалле Intel StrataFlash в сочетании с ПО Persistent Storage Manager (PSM) дает возможность использовать объем памяти одновременно как для хранения данных, так и для выполнения программного кода. PSM по сути дела является файловой системой, поддерживающейся ОС Windows CE 2.1 и выше. Все это направлено на снижение количества компонентов и уменьшение габаритов мобильных устройств с увеличением их функциональности и производительности.

Рис. 35. Структура ЭВМ на одном кристалле.

На рисунке, в виде слоев показаны основные узлы ЭВМ. Основные обозначения:

· Intel X Scale processor – процессор.

· Intel Strata Flash Memory – флэш-память.

· Film Spacer – видеоадаптер.

· Substrate – подложка.

· Molding – основной массив (заливка) микросхемы.

· Die Attach Film – матрица подсоединения шины видеоданных.

· Die Attach –матрица подсоединения внешней шины.

Другие конфигурации класса «все-в-одном» представлены компаниями Samsung, Hitachi и др. Их изделия представляют собой многофункциональные устройства, реализованные в одной микросхеме (в ней имеется процессор, флэш-память и SDRAM (System Dynamic Random Access Memory)).

Ориентированы они на применение в мобильных устройствах, где важна высокая производительность при минимальных размерах и низком энергопотреблении.

Например, чип от Samsung, объединяющий в себе ARM (Asynchronous Respons Mode – Режим асинхронного ответа) - процессор (203 МГц), 256 Мбайт NAND памяти и 256 SDRAM. Он совместим с операционными системами: Windows CE, Linux и имеет поддержку USB. На его основе возможно создание многофункциональных мобильных устройств с низким энергопотреблением, способных работать с видео, звуком, голосом и прочими ресурсоемкими приложениями.

Другим направлением совершенствования флэш является уменьшение энергопотребления и размеров с одновременным увеличением объема и быстродействия памяти.

В большей степени это касается микросхем с NOR архитектурой, поскольку она оптимальна для мобильных компьютеров, поддерживающих работу в беспроводных сетях. Intel уже представила разработку StrataFlash Wireless Memory System («Слоеная» беспроводная система памяти) (LV18/LV30) – универсальную систему флэш-памяти для беспроводных технологий. Объем ее памяти достигает гигабайтов, а рабочее напряжение равно 1.8 В. Технология изготовления чипов – 0.13 нм, в планах переход на 0.09 нм техпроцесс. Среди инноваций данной компании также стоит отметить организацию пакетного режима работы с NOR-памятью. Он позволяет считывать информацию не по одному байту, а блоками — по 16 байт: с использованием 66 МГц шины данных. Скорость обмена информацией с процессором достигает 92 Мбит/с.

Одна из важных тенденций развития флэш-памяти является использование результатов исследований в области нанотехнологий.

Переход на новые типы кристаллов предложила калифорнийская компания Nanosys, которая специализируется на исследованиях в области нанотехнологий и обладает несколькими патентами на перспективные технологии выпуска полупроводниковых чипов. Среди ее партнёров Intel и Micron Technologies.

Эта разработка, позволяет использовать металлические нанокристаллы при производстве микросхем памяти, не внося практически никаких изменений в технологический процесс.

Разработан материал, способный удвоить ёмкость обычных чипов флэш-памяти путём добавления на стадии производства микросхем самоформирующихся металлических нанокристаллов.

Новая технология может оказаться определяющей для роста индустрии флэш-памяти.

Ёмкость твердотельной памяти неуклонно увеличивается, но размеры отдельных ячеек памяти в чипах растут лишь по горизонтали, а не по вертикали.

Дальнейшее двумерное увеличение ячеек без увеличения размеров микросхем невозможно из достижения пределов атомарных расстояний и паразитных эффектов.

В Nanosys пытаются избавиться от этих ограничений за счет введения третьего измерения в матрицу памяти.

Обычно ячейки флэш-памяти удерживают электроны, которые выступают в роли хранителей битов данных, на крохотном участке кремния - в так называемом плавающем затворе. Затвор окружён толстым слоем диэлектрика, препятствующего утечке электронов. Однако при уменьшении ячеек они начинают электрически взаимодействовать.

Получен кристалл, который выглядит как пучок небоскрёбов. При этом плавающий затвор заменен нанокристаллами, что позволило, с одной стороны, радикально уменьшить объём диэлектрика, необходимого для надёжной изоляции, а с другой - снизить высоту ячеек, и тем самым, уменьшить интерференцию.

Металлические нанокристаллы способны удерживать больший заряд в ячейке памяти, чем кремниевые нанокристаллы. Кроме того, для записи и стирания данных во флэш-память с металлическими частицами необходимо пониженное напряжение, что позволит экономить электроэнергию. Наконец, что важнее всего, в отличие от полупроводниковой флэш-памяти, количество циклов записи и стирания памяти с металлическими нанокристаллами практически неограниченно.

Принципиальная проблема, которую необходимо решить для внедрения этой технологии в производство, заключается в том, как поместить в полупроводниковую пластину нанокристаллы высокой плотности и стандартных размеров.

Nanosys предлагает такое решение. Нанокристаллы выращивают в растворе, а химический состав этого раствора позволяет задавать размеры кристаллов. После формирования нанокристаллов в раствор добавляются другие вещества, благодаря которым на частицах вырастают особые молекулы.

Эти молекулы, называемые лигандами, заставляют нанокристаллы держаться друг от друга на определённом расстоянии. Жидкость с нанокристаллами, напоминающая чернила, выливается на кремниевые пластины, которые в дальнейшем и станут микросхемами флэш-памяти.

Первое достоинство разработки Nanosys - возможность создания флэш-памяти гораздо большей ёмкости при неизменных размерах микросхем.

Второе важное достоинство - значительно меньшее энергопотребление флэш-памяти на базе металлических нанокристаллов, чем у традиционной флэш-памяти.

Третье достоинство - почти неограниченное число циклов стирания и записи, что делает флэш-память практически вечной.

Еще один пример перспективных исследований. Ученые из университета Беркли разработали технологию, которая позволит получать упорядоченные наноструктуры с размерами ячеек около трех нанометров, при плотности записи 1.7 терабит /см.кв.

В качестве основного материала выступает так называемый блок-сополимер. Молекулы этого соединения образуются, если соединить несколько видов полимерных блоков различной химической природы. В данном случае это были блоки полистирола и полиэтиленоксида. По словам ученых, новая технология позволит создавать носители с беспрецедентной плотностью записи. Так, например, на диск диаметром три сантиметра поместится более -1400 -гигабайт(!). Впрочем пока это только заявления. Будущее покажет. Таковы перспективы развития.