За последние три-четыре года флэш-память стала одним из самых популярных в общем ряду устройств хранения данных. Доминирование флэш-памяти на рынке связано с тем, что она находит широкое применение в относительно недорогих устройствах массового потребления: цифровых фото- и видеокамерах, компьютерах, мобильных телефонах, коммуникаторах, плеерах и т. д. Флэш-память — это электрически перепрограммируемое запоминающее устройство, которое, подобно магнитным носителям, сохраняет информацию при отключённом питании.

Наука и жизнь // Иллюстрации

При чтении, в отсутствие заряда на «плавающем» затворе, под воздействием положительного потенциала на управляющем затворе, в подложке между истоком и стоком образуется проводящий канал и возникает ток (логическая единица).

Заряд на «плавающем» затворе меняет вольт-амперную характеристику транзистора так, что при обычном для чтения напряжении проводящий канал не появляется и тока между истоком и стоком не возникает (логический ноль).

При программировании на сток и управляющий затвор подаётся высокое напряжение (на управляющий затвор приблизительно в два раза больше).

При стирании высокое напряжение подаётся на исток. На управляющий затвор подаётся высокое отрицательное напряжение, и электроны туннелируют на исток.

ЧТО ПРОИСХОДИТ В ЯЧЕЙКЕ ФЛЭШ-ПАМЯТИ

Первые серийные образцы флэш-накопителей работали довольно медленно, однако сегодня скорость считывания и записи данных на флэш-память позволяет смотреть хранящийся в миниатюрной микросхеме полноформатный фильм или запускать операционную систему Windows XP. Некоторые крупные производители уже продемонстрировали компьютеры, в которых вместо жёсткого диска стоят чипы флэш-памяти, а чересчур оптимистичные наблюдатели и вовсе торопятся полностью похоронить винчестеры, как совсем недавно — флоппи-диски.

Однако у флэш-памяти есть один очень неприятный недостаток, препятствующий тому, чтобы этот тип носителя заменил все существующие оптические и магнитные накопители, и связан он с надёжностью и долговечностью. Дело в том, что флэш-память имеет конечное число циклов стирания и записи. По оценкам самих производителей, современная флэш-память способна выдержать в среднем порядка 100 тыс. циклов стирания-записи. С этим уже столкнулись владельцы цифровых фотоаппаратов и флэш-драйверов, интенсивно их эксплуатирующие. Физическая природа подобного ограничения изначально заложена в конструкции прибора.

Каждая ячейка флэш-памяти содержит один или два транзистора. В простейшем случае ячейка хранит один бит информации и собрана на полевом транзисторе с электрически изолированной областью («плавающим» затвором), способной хранить заряд многие годы. Присутствие или отсутствие заряда в транзисторе рассматривается как логический ноль или логическая единица в двоичной системе счисления. «Плавающий» затвор хранит запрограммированное значение. Заряд на «плавающий» затвор в такой ячейке помещается методом инжекции «горячих» электронов, а снимается методом квантовомеханического туннелирования. В приборах с «плавающим» затвором запоминающей средой служит поликремний, изолированный от канала и затвора транзистора диэлектриком.

Туннелирование, по своей природе чисто квантовомеханический эффект, заключается в преодолении электроном потенциального барьера малой «высоты». Представим себе твёрдотельную структуру типа проводящая среда — изолятор — проводящая среда. Преодолеть потенциальный

барьер слоя диэлектрика, чтобы перейти из одного металлического контакта в другой, обычным способом (без внешних воздействий со стороны силовых полей) электрон не может — ему не хватает энергии. Но когда к металлическим контактам приложено достаточное напряжение, электрон, используя свою волновую природу, «просачивается» сквозь слой диэлектрика (туннелирует) и тем самым создаёт электрический ток.

БУДУЩЕЕ ФЛЭШ-ТЕХНОЛОГИЙ

Одно из направлений совершенствования флэш-накопителей — уменьшение их энергопотребле-ния и геометрических размеров с одновременным увеличением объёма памяти и быстродействия. Следует отметить, что совсем недавно свой полувековой юбилей отметил один из важнейших элементов любого персонального компьютера — жёсткий диск. Созданное пятьдесят лет назад устройство изменилось до неузнаваемости, в сотни раз уменьшилось в размерах и в тысячи раз увеличило ёмкость, проникло в совершенно неожиданные сферы, сохранив при этом основные принципы работы. Современное состояние рынка магнитных накопителей можно назвать тера-байтной эрой. Уже сейчас никого не удивишь ёмкостью жёстких дисков в сотни гигабайт. Первые терабайтные носители также со дня на день появятся в пользовательских компьютерах. И хотя в XXI веке активно развиваются другие технологии хранения данных, жёсткий диск не спешит сдавать свои позиции.

Безусловно, флэш — перспективная технология. Однако, несмотря на высокие темпы роста объёмов производства, устройства хранения данных, основанные на ней, ещё слишком дороги, чтобы конкурировать с жёсткими дисками для настольных систем или ноутбуков. Сегодня сфера господства флэш-памяти в основном ограничивается мобильными устройствами.

В настоящее время американские исследователи разработали принципиально новую память, которая в теории позволит создавать крошечные накопители, вмещающие до терабайта данных. В отличие от флэш-памяти, где данные хранятся в виде заряда, в них используются металлизированные ячейки с функцией программирования, состоящие из разрозненных атомов меди. Под воздействием отрицательного заряда эти атомы выстраиваются в линию и формируют между двумя электродами «мост», проводящую нанопроволоку — получается логическая единица. Атомы в разгруппированном состоянии дают логический ноль. По утверждению авторов изобретения, процесс во многом похож на кристаллизацию воды и тоже полностью обратим — положительный заряд возвращает атомы в первоначальное положение, «мост» между электродами разрушается.

С новым устройством все ограничения на память в портативной электронике могут быть сняты. Можно записывать на видео и сохранять каждый момент всей своей жизни. Эта атомная память в тысячу раз экономичней флэш-памяти в плане потребления электрической энергии и в десять раз дешевле в пересчёте на один бит данных в основном благодаря тому, что для её изготовления нужны недорогие материалы. Крупнейшие производители уже проявили интерес к разработке, и первый чип на базе металлизированных ячеек планируется выпустить в течение следующих полутора лет.

Разработан также и прототип одного из ключевых элементов компьютерной памяти — нанопровод из полупроводникового материала GeSbTe, обратимо меняющего фазовое состояние с переходом из аморфной структуры в кристаллическую. Нанопровод был изготовлен в процессе кристаллизации исходных реагентов при низких температурах в присутствии металлических катализаторов размером в нанометры. В итоге на поверхности кремниевого субстрата самопроизвольно образовался линейный фрагмент полупроводникового материала длиной в несколько микрон и диаметром 30—50 нанометров, что примерно соответствует размеру ста атомов. В ходе изучения свойств полученного наноматериала оказалось, что он обладает уникальными качествами для записи и хранения информации. У него низкое потребление энергии на запись одного бита информации, а время считывания, записи и удаления информации составляет всего 50 нс, что в 1000 раз меньше, чем у современных образцов флэш-накопителей. Продолжительность хранения данных без потребления энергии может достигать 100 тыс. лет, а плотность хранения данных позволит вместить в габариты стандартных флэш-карт или других модулей памяти терабайты данных. Концепция компьютерной памяти на фазовых переходах известна давно, но лишь сейчас впервые удалось продемонстрировать её на реальных прототипах в наномасштабе.

ЛИТЕРАТУРА

Gritsenko V. A., Nasyrov K. A., Novikov Yu. N. Aseev A. L.. High-Permittivity-Insulator EEPROM Cell Using Al2O3 and ZrO2 // Russian Mic-roelectronics, 2003, 32, № 2, p. 90

Gritsenko V. A., Nasyrov K. A., Novikov Yu. N., Aseev A. L., Yoon S. Y., Lee J.-W., Lee E.-H., Kim C. W. A new low voltage fast SONOS memory with high-k dielectric//Solid-State Electronics, 2003, 47, № 10, p. 1651.

№3, 2008