Новая энергонезависимая сегнетоэлектрическая память с чтением на основе фотоэлектрического эффекта

16 июня 2013 в 10:00

Нам всем известен почти единственный недостаток современных быстрых модулей оперативной памяти — энергозависимость, в свою очередь у долговременных накопителей оставляет желать лучшего скорость работы. Прототип памяти нового типа, описанный в Nature Communications, совмещает в себе как скорость, неизнашиваемость и низкое энергопотребление, так и энергонезависимость.

Память нового типа была построена на основе феррита висмута материаловедом Калифорнийского университета в Беркли Рамамуроти Рамешем и специалистом по материалам-оксидам в Наньянском технологическом университете в Сингапуре Юнлинь Ваном.

Обычные нули и единицы битов компьютерной памяти могут быть представлены ферритом висмута как одно из двух состояний поляризации. Переключение между ними возможно при приложении напряжения благодаря физическому явлению сегнетоэлектричества. Ферроэлектрическая ОЗУ на основе других материалов уже представлена на рынке, и её скорость работы высока. Но технология не получила широкого распространения потому, что электрический сигнал, используемый для чтения бита, сбрасывает его, поэтому данные приходится каждый раз перезаписывать заново. В перспективе это ведёт к ухудшению надёжности.

Рамеш и Ван нашли способ использования одного из свойств феррита висмута для чтения массивов памяти без разрушения информации. В 2009 году исследователи в Ратгерском университете продемонстрировали, что материал обладает фотоэллектрическими свойствами в области видимого спектра. Это означает, что при освещении материала создаётся электрическое напряжение, размер которого к тому же зависит от состояния поляризации. Это напряжение можно регистрировать, в то же время яркий свет не меняет состояние поляризации материала и не сбрасывает записанной на него информации.

В процессе исследования были произведены эксперименты, во время которых плёнки феррита висмута наращивались на оксиде металла, затем его вытравливали в четыре полоски. Сверху накладывались четыре металлические полоски под определенными углами. 16 квадратных областей в местах соприкосновения вели себя как ячейки памяти, а металл и оксид металла образовывали их выводы. С их помощью ячейки были поляризованы, затем их осветили светом и зарегистрировали два значения напряжений для нуля и единицы.

Для чтения и записи требуется менее 10 наносекунд, а запись требует 3 вольта напряжения. Для сравнения: энергонезависимая ОЗУ на основе флэш-памяти требует приблизительно в 100 тыс. раз больше времени и требует 15 вольт для записи.

Сан-Вук Чун, исследовавший этот эффект, назвал результаты первым практическим использованием открытия 2009 года. Однако, Виктор Жирнов, материаловед в Semiconductor Research Corporation (Северная Каролина), считает, что технологии перед настоящим использованием и хоть какой-либо конкурентоспособностью предстоит значительная минимизация. Современная флэш-память использует техпроцесс от 22 нм, а прототип фотоэлектрической памяти имеет ширину в 10 микрометров.

Рамеш считает, что принципиальных препятствий уменьшению до сравнимых с размерами ячеек памяти других типов нет, хотя возможны технологические трудности. Также придётся разработать миниатюрные световоды, чтобы освещать не весь модуль памяти, а лишь его часть.

По материалам Nature.com.
Отчёт исследования о энергонезависимой памяти (англ., 2013).
Отчёт исследования фотоэлектрических свойств феррита висмута (англ., 2009).