In termini di tecnologia, i produttori stanno spingendo i limiti, aumentando la densità di memoria con processi a 25 nm e persino più piccoli. I principali produttori di memorie flash NAND stanno avviando la produzione di memorie da 64 Gbit con tecnologie che vanno dai 20 ai 30 nm e stanno utilizzando sempre più architetture e strutture di memoria innovative per soddisfare le esigenze di alta densità. Un recente articolo di SanDisk e Toshiba, presentato all'ISSCC (International Solid State Circuits Conference) all'inizio di quest'anno, ha descritto in dettaglio un dispositivo flash NAND da 128 Gbit con tecnologia a 19 nm e 3 bit per cella.
Possibilità di sostituzione:
Sebbene la memoria flash continui a diffondersi a breve e medio termine, persiste la domanda di potenziali alternative a lungo termine sia in applicazioni standalone che embedded. La concorrenza comprende fino a 30 diverse tecnologie di memoria non volatile, attualmente in fase di studio da parte di aziende di semiconduttori, istituti di ricerca e università. Alcune di queste tecnologie hanno già raggiunto volumi di vendita relativamente bassi. Quattro delle tecnologie principali che offrono diversi vantaggi rispetto alla memoria flash, come tempi di lettura/scrittura 100 volte più veloci e una durata del ciclo di scrittura significativamente maggiore, sono: memoria a cambiamento di fase (PRAM); RAM ferroelettrica (FRAM); RAM magnetoresistiva (MRAM); e RAM resistiva (RRAM).
PRAM o PCM:
la memoria PRAM sfrutta il comportamento del vetro calcogenuro, che permette di commutare tra quattro stati diversi: cristallino, amorfo e due stati parzialmente cristallini. Questa commutazione è resa possibile dal calore generato: quando una corrente elettrica attraversa il vetro, lo stato del materiale cambia. Poiché la memoria PRAM può produrre fino a quattro stati, permette di raddoppiare la capacità di memorizzazione, fornendo due bit per cella. I diversi stati hanno resistività elettriche molto diverse, quindi, ad esempio, lo stato amorfo ad alta resistenza può rappresentare uno "0" e lo stato cristallino a bassa resistenza un "1".
Il principale svantaggio della PRAM è la sua sensibilità alle alte temperature. Si degrada anche con l'uso, ma molto meno rapidamente rispetto alla memoria flash, che ha una capacità di circa 5.000 cicli di scrittura, mentre la PRAM può fornirne circa 100 milioni. La PRAM può offrire prestazioni elevate, soprattutto in applicazioni che richiedono molti cicli di scrittura, poiché offre tempi di commutazione rapidi: un singolo bit cambia senza dover prima cancellare blocchi, ed è attualmente in grado di essere miniaturizzata a 40 nm.
Micron Technologies e Samsung sono attualmente in competizione per portare sul mercato il primo chip PCM da 1 Gbit. Samsung utilizza attualmente una memoria NOR-Flash compatibile con PRAM da 512 Mbit nei telefoni cellulari.
FRAM o FeRAM:
La struttura della memoria FRAM è simile a quella della memoria DRAM. La DRAM è composta da un transistor di accesso dielettrico e da un nodo di memorizzazione basato su condensatori, mentre la memoria FRAM utilizza un materiale ferroelettrico come il PZT per formare un condensatore ferroelettrico, integrato nel gate del transistor.
La struttura cristallina del materiale ferroelettrico consente la formazione di dipoli elettrici semipermanenti, che si allineano con la direzione di un campo elettrico esterno applicato e mantengono tale polarizzazione anche dopo la rimozione del campo. Ciò permette l'accesso casuale a ciascun bit sia in lettura che in scrittura, con i bit binari "0" e "1" memorizzati nelle due possibili polarizzazioni per ogni cella.
La FRAM consuma meno energia, ha un ciclo di scrittura più veloce e può eseguire molti più cicli di scrittura-cancellazione rispetto alla memoria flash. Gli svantaggi includono una minore densità di memoria, una capacità di archiviazione limitata e costi più elevati.
Fujitsu ha annunciato di essere al lavoro sulla progettazione di dispositivi basati su FRAM per sostituire le memorie flash e SRAM in applicazioni industriali, manifatturiere e a basso consumo energetico, mentre Texas Instruments sta gradualmente iniziando a offrire microcontrollori basati su FRAM.
MRAM
utilizza elementi di memorizzazione magnetica formati da due piastre ferromagnetiche, ciascuna in grado di mantenere un campo magnetico,
separate da un sottile strato isolante. La struttura cellulare più semplice è la configurazione a valvola di spin. Una delle piastre è un magnete permanente a polarità fissa, mentre l'altra ha un campo che può essere modificato per adattarsi a un campo esterno. I bit vengono memorizzati rappresentando gli "1" con due piastre della stessa polarità e gli "0" con piastre di polarità opposta. Una griglia di queste celle forma un dispositivo di memoria. La tecnologia promette la potenziale sostituzione non solo delle memorie Flash, ma anche delle DRAM e SRAM. Tuttavia, le MRAM sono suscettibili alle interferenze dovute all'applicazione prolungata di una coppia generata da campi magnetici esterni in corrente continua. Everspin, una società spin-off di Freescale Semiconductor, prevede di vendere MRAM in milioni di unità nel 2012, pur essendo già impegnata nello studio di una tecnologia MRAM di seconda generazione chiamata SST-MRAM. Questa tecnologia sostituisce lo strato isolante con uno strato barriera di tunnel e utilizza elettroni polarizzati. Il vantaggio principale è la riduzione della corrente necessaria per la scrittura, che rende il processo paragonabile a quello di lettura e consente una maggiore densità. Tuttavia, è necessario mantenere la coerenza di spin e il funzionamento ad alta velocità richiede comunque una corrente più elevata. Attualmente, si prevede che questa tecnologia venga utilizzata in dispositivi al di sotto dei 65 nm, sebbene siano in fase di studio nuove strutture composite.
La memoria RRAM, o ReRAM
, si basa sulla commutazione elettronica (indotta da corrente o tensione) di un materiale resistivo tra due stati di resistenza stabili (alto/basso). Ciò si ottiene tramite una conduzione improvvisa attraverso isolanti di ossido. La memoria RRAM commuta tra i due stati di resistenza attraverso due operazioni: RESET ripristina uno stato di alta resistenza da uno stato di bassa resistenza, e SET produce la transizione opposta. La memoria RRAM è scalabile al di sotto dei 30 nm e uno studio sulla RRAM a base di ossido ha addirittura suggerito che il movimento dell'ossigeno può verificarsi a livello di 2 nm. L'istituto di ricerca IMEC prevede che i dispositivi RRAM impilati potrebbero apparire sul mercato a 11 nm, con la memoria flash "SONOS" che fungerà da passaggio intermedio ai nodi a 17 nm e 14 nm. La memoria RRAM offre una commutazione in sub-nanosecondi con un consumo energetico minimo e garantisce stabilità dei dati, resistendo alle alte temperature e all'usura generata dai cicli. Questa robustezza offre nuove opportunità nei mercati automobilistici e nelle applicazioni embedded.
Elpida, ad esempio, ha già sviluppato prototipi di RRAM con l'obiettivo di avviare la produzione di massa nel 2013, con dispositivi in grado di offrire capacità gigabit e basati su un processo a 30 nm. E la fine di questo processo non è ancora in vista...
Tuttavia, nessuna di queste quattro tecnologie ha raggiunto la produzione di massa, in quanto attualmente sono limitate a mercati di nicchia. È probabile che anche la memoria flash si diffonda ulteriormente, almeno per qualche altra generazione, quindi potrebbe passare ancora del tempo prima di poter dire: "Il re è morto, viva il re".
Autore:
A cura di Mark Cundle, RS Components
