В России будет построена первая в мире фабрика микросхем памяти MRAM по технологии 65 нм

"Роснано" и французская Crocus Technology договорились о производстве нового поколения чипов магниторезистивной памяти (MRAM). Созданная ими совместная компания Crocus Nano Electronics построит в России завод по производству схем памяти этого типа по технологии 90 и 65 нм. Таких в мире еще не делают.

"Память" — единственный термин, по-настоящему роднящий машину с живым организмом. Нельзя, не погрешив против действительности, назвать конечностью манипулятор робота, вычисления раздумьями, а производство чипов размножением. Но назвать машинную память памятью можно и нужно.

Для инженера, впервые проектирующего компьютер, создание механизма памяти было чрезвычайно сложной и интересной задачей. Началось ее решение, впрочем, задолго до компьютеров — с перфорированных жестяных дисков для механических клавесинов. Этот же принцип хранения данных — кодирование их с помощью отверстий в плоском носителе — использовался в перфокартах и перфолентах. Потом возникла память на ферромагнетиках, пик ее прогресса — нынешние жесткие диски.

Но главным источником развития технологий машинной памяти стало стремительное развитие микроэлектроники во второй половине прошлого века — это сделало возможным создавать полупроводниковую память методами планарной технологии на поверхности кремниевой пластины.

Полупроводниковая память делится на энергозависимую и энергонезависимую. В персональных компьютерах быструю энергозависимую память часто называют "оперативной", для нее используют аббревиатуру RAM (Random Access Memory, память с произвольным доступом, то есть с доступом к любому ее адресуемому фрагменту; кстати говоря, строгое определение понятия "байт" — это не "8 бит", а "минимальный адресуемый объем памяти"). Самым распространенным стандартом оперативной памяти стал DRAM, где главным элементом, определяющим состояние ячейки памяти "0" или "1", является конденсатор. Если конденсатор заряжен — ячейка хранит "1", если разряжен, то "0". "D" в аббревиатуре означает "динамическая": конденсаторы не могут постоянно держать один и тот же заряд, они постепенно разряжаются, теряя информацию. Чтобы этого не случалось, их приходится время от времени перезаряжать, "регенерировать" заряд. Отсюда энергозависимость.

Другой тип оперативной памяти — SRAM, наоборот, статический (S). Здесь не используются конденсаторы, а в качестве элемента состояния ячейки "0" или "1" работает триггер — схема, собранная из нескольких транзисторов. Для работы такому элементу требуется постоянное питание, а переключается он между состояниями "0" и "1" с помощью управляющего сигнала. По сравнению с конденсатором, которому требуется время для зарядки или разрядки, триггер переключается практически мгновенно. Его состояние определяет выходное напряжение — нулевое в состоянии "0", или близкое к напряжению питания в состоянии "1".

Практически все остальные виды оперативной памяти построены на элементах DRAM и SRAM или их комбинациях с использованием различных алгоритмов управления, которые оптимизируют их работу. И DRAM, и SRAM легко исполняются методами планарной полупроводниковой технологии, то есть с помощью обычных методов изготовления микроэлектронных чипов.

В DRAM используется конденсатор, и это гораздо дешевле, чем сделать несколько транзисторов и соединить их между собой в триггер для элемента памяти SRAM. Однако при уменьшении размеров элементов и, соответственно, емкости конденсатора он быстрее разряжается — требуется частая регенерация заряда. Это снижает производительность и повышает энергопотребление.

Что касается SRAM, то этот элемент легко масштабируется: вместе с развитием технологий (миниатюризацией микросхем) уменьшаются и элементы SRAM. Хотя транзисторы каждого элемента занимают много места, а их изготовление обходится дороже, чем изготовление элементов памяти DRAM, этот тип памяти быстрее работает и меньше потребляет энергии.

Но память SRAM, как и DRAM, энергозависима — при выключении питания она стирается.

Между тем, передний край полупроводниковой индустрии — производство энергонезависимых чипов памяти. Именно в них используются передовые достижения физики, квантовой механики и технологий микроэлектроники.

История энергонезависимой полупроводниковой памяти в микроэлектронных устройствах начинается с так называемых "масочных" постоянных запоминающих устройств (Mask ROM), где информация в виде двоичного кода записывается физически во время производства чипа на фабрике. В дальнейшем ее нельзя ни стереть, ни перезаписать заново.

Такой метод используется и сегодня, например, для защиты операционной системы в устройствах средств идентификации, таких, как электронный паспорт. Операционная система, обеспечивающая алгоритмы шифрования информации, записывается таким масочным способом во время производства интегральной схемы в чистой комнате микроэлектронного производства.

Следующий этап прогресса энергонезависимой памяти — PROM. "P" в названии означает "программируемая": пользователь может самостоятельно записать информацию в память, но только один раз.

Память EPROM (стираемая программируемая) позволяет записывать и стирать данные, но только целиком. Динамически менять отдельные участки информации — нельзя. Затем появляется память EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) — прототип современных технологий всем знакомой Flash-памяти.

Принцип работы ячейки EEPROM состоит в использовании так называемого транзистора с плавающим затвором. В качестве носителя информации используется заряд, как и в памяти DRAM, однако заряжается не конденсатор. Электроны туннелируют и скапливаются на изолированном затворе транзистора благодаря дополнительному напряжению, приложенному к управляющему затвору. Электроны, попавшие на затвор, в отличие от случая с конденсатором, могут оставаться там многие годы. То есть годами хранить данные в микросхеме, отключенной от источника питания.

К сожалению, технология плавающего затвора не позволяет обеспечить высокую скорость записи информации и поэтому не может использоваться в качестве оперативной памяти компьютера. Это обстоятельство заставляет исследователей искать другие принципы записи информации, чтобы в конечном счете приблизиться к сочетанию преимуществ быстрой оперативной памяти и памяти энергонезависимой. Создание таковой избавит нас, например, от загрузки операционной системы при каждом включении компьютера.

MRAM — одна из перспективных технологий на этом пути. Носителем информации в MRAM являются не заряды, а магнитные моменты, а для считывания информации используется эффект туннельного магнитного сопротивления. Принцип работы таков. Между двумя тонкими пленками ферромагнетика находится пленка диэлектрика. Если к ферромагнетикам приложить напряжение, то электроны будут туннелировать через диэлектрик и возникнет ток, но сопротивление будет зависеть от ориентации магнитного поля. Если ферромагнетики намагничены в одинаковом направлении, то сопротивление будет одним, а если в разном — другим.

Эти два состояния ячейки и определяют значение "0" и "1". Одна пленка постоянно намагничена в одном направлении, а направление намагниченности другой меняется с помощью специальной линии записи — полосок проводника с двух сторон пленки, которые пересекаются под прямым углом. В месте пересечения возникает магнитное поле, которое управляет намагниченностью пленки.

Кстати, то, что в MRAM используется магнитное поле, а не электрические заряды, делает устройства перспективными на рынке радиационностойкой памяти для использования, например, в условиях космоса.

У MRAM много хороших свойств. Технология тонких пленок позволяет легко интегрировать производство памяти MRAM в технологический маршрут изготовления микроэлектронных изделий. Для ячейки не требуется такого большого набора транзисторов, как для триггеров SRAM, и, тем не менее, она работает почти так же быстро, как SRAM. Энергонезависимость в сочетании со скоростью записи-чтения, не требующих высоких напряжений, выгодно отличают MRAM от памяти EEPROM.

Но есть, конечно, и проблемы, которые предстоит решать Crocus Nano Electronics.

Основная состоит в том, что без инноваций сложно увеличить плотность элементов, а значит, снизить стоимость памяти. Если ячейки слишком малы, то при записи магнитное поле может перекрывать сразу несколько из них, с неизбежными потерями данных. Если же уменьшить мощность магнитного поля, то ее не хватит для изменения намагниченности активной пленки ячейки.

Одно из возможных решений проблемы — так называемая технология термического переключения, TAS MRAM. Хитрость в том, что элемент нагревается во время записи, становится от этого менее стабильным и охлаждается во время считывания с целью исключить ошибки при извлечении данных из памяти.

Наконец, есть проблема чисто экономическая: Россия вряд ли в ближайшее время станет крупным потребителем чипов памяти, и Crocus Nano Electronics придется пробиваться со своей продукцией (чипами MRAM) на внешний рынок.

Подпись

Вверху: чип магниторезистивной памяти MRAM (XXI век)

Внизу: перфорированный жестяной диск — память музыкального автомата (XIX век).