Em termos de tecnologia, os fabricantes estão a ultrapassar os limites, aumentando a densidade de memória em processos de 25 nm e até mesmo em processos mais pequenos. Os principais fabricantes de memória flash NAND estão a iniciar a produção de memórias de 64 Gbit em tecnologias que variam entre 20 e 30 nm e utilizam cada vez mais arquiteturas e estruturas de memória inovadoras para satisfazer as exigências de alta densidade. Um artigo recente da SanDisk e da Toshiba, apresentado na ISSCC (International Solid State Circuits Conference) no início deste ano, detalhou um dispositivo flash NAND de 128 Gbit numa tecnologia de 19 nm com 3 bits por célula.
Possibilidades de Substituição:
Embora a memória flash continue a escalar a curto e médio prazo, permanece a procura por potenciais substitutos a longo prazo, tanto em aplicações independentes como embarcadas. A concorrência inclui até 30 tecnologias diferentes de memória não volátil que estão a ser analisadas por empresas de semicondutores, instituições de investigação e universidades. Algumas destas tecnologias já atingiram volumes de vendas relativamente pequenos. Quatro das principais tecnologias que oferecem diversas vantagens em relação à memória flash, como tempos de leitura/escrita 100 vezes mais rápidos e uma resistência significativamente maior aos ciclos de escrita, são: Memória de Mudança de Fase (PRAM); RAM Ferroelétrica (FRAM); RAM Magnetorresistiva (MRAM); e RAM Resistiva (RRAM).
PRAM ou PCM:
A memória PRAM tira partido do comportamento do vidro calcogeneto, que permite a alternância entre quatro estados diferentes: cristalino, amorfo e dois estados parcialmente cristalinos. Esta alternância é possível devido ao calor gerado: quando uma corrente elétrica atravessa o vidro, o estado do material altera-se. Como a memória PRAM pode produzir até quatro estados, permite duplicar a capacidade de armazenamento, fornecendo dois bits por célula. Os diferentes estados têm resistividades elétricas muito diferentes; por exemplo, o estado amorfo de alta resistência pode representar um "0" e o estado cristalino de baixa resistência um "1".
A principal desvantagem da PRAM é a sua sensibilidade a altas temperaturas. Também se degrada com a utilização, mas muito menos rapidamente do que a memória flash, que tem uma capacidade de aproximadamente 5000 ciclos de escrita, enquanto a PRAM pode fornecer cerca de 100 milhões de ciclos. A PRAM pode oferecer um elevado desempenho, especialmente em aplicações que exigem muitos ciclos de escrita, uma vez que proporciona tempos de comutação rápidos: um único bit é alterado sem a necessidade de apagar blocos primeiro, e atualmente é capaz de ser escalonada para 40 nm.
A Micron Technologies e a Samsung estão atualmente numa corrida para lançar o primeiro chip PCM de 1 Gbit no mercado. A Samsung utiliza atualmente uma memória NOR-Flash compatível com PRAM de 512 Mbit nos telemóveis.
FRAM ou FeRAM:
A construção da memória FRAM é semelhante à da memória DRAM. A DRAM consiste num transístor de acesso dielétrico e num nó de armazenamento baseado num condensador, enquanto a memória FRAM utiliza um material ferroelétrico, como o PZT, para formar um condensador ferroelétrico, que está integrado no corpo da porta do transístor.
A estrutura cristalina do material ferroelétrico permite a formação de dipolos elétricos semipermanentes, que se alinham com a direção de um campo elétrico externo aplicado e retêm essa polarização quando o campo é removido. Isto permite o acesso aleatório a cada bit individual, tanto para operações de leitura como de escrita, com os valores binários "0" e "1" armazenados nas duas polarizações possíveis para cada célula.
A FRAM consome menos energia, tem um ciclo de escrita mais rápido e pode realizar muito mais ciclos de escrita e apagamento do que a memória flash. As desvantagens incluem a menor densidade de armazenamento, a capacidade de armazenamento limitada e os custos mais elevados.
A Fujitsu anunciou que está a conceber dispositivos baseados em FRAM para substituir as memórias flash e SRAM em aplicações industriais, de fabrico e de baixo consumo de energia, enquanto a Texas Instruments está a começar a oferecer microcontroladores baseados em FRAM.
MRAM
utiliza elementos de armazenamento magnético formados por duas placas ferromagnéticas, cada uma capaz de manter um campo magnético.
separadas por uma fina camada isolante. A estrutura de célula mais simples é a configuração de válvula de spin. Uma das placas é um íman permanente de polaridade fixa, e a outra possui um campo que pode ser alterado para corresponder a um campo externo. Os bits são armazenados representando "1s" com duas placas da mesma polaridade e "0s" com placas de polaridade oposta. Uma grelha destas células forma um dispositivo de memória. A tecnologia promete substituir não só a memória Flash, mas também a DRAM e a SRAM. A MRAM, no entanto, é suscetível à interferência da aplicação prolongada de torque causado por campos magnéticos CC externos. A Everspin, uma spin-off da Freescale Semiconductor, espera vender milhões de unidades de MRAM em 2012, embora já esteja a examinar uma tecnologia de MRAM de segunda geração chamada SST-MRAM. Esta tecnologia substitui a camada isolante por uma camada de barreira de tunelamento e utiliza eletrões polarizados. A principal vantagem é a redução da corrente necessária para a gravação, tornando o processo comparável ao da leitura e permitindo uma maior densidade. No entanto, a coerência de spin deve ser mantida, e a operação a alta velocidade ainda requer uma corrente mais elevada. Atualmente, prevê-se que a tecnologia seja utilizada em dispositivos com dimensões inferiores a 65 nm, embora estejam a ser investigadas novas estruturas compostas.
A RRAM, ou ReRAM
, baseia-se na comutação eletrónica (induzida por corrente ou tensão) de um material resistivo entre dois estados resistivos estáveis (alto/baixo). Isto é conseguido através da condução repentina através de isolantes de óxidos. A memória RRAM alterna entre os dois estados de resistência através de duas operações: RESET restaura um estado de alta resistência a partir de um estado de baixa resistência, e SET produz a transição oposta. A memória RRAM é escalável abaixo de 30 nm, e um estudo de RRAM baseada em óxido sugeriu que o movimento do oxigénio pode ocorrer a um nível de 2 nm. O instituto de investigação IMEC prevê que os dispositivos RRAM empilhados poderão chegar ao mercado a 11 nm, com a memória flash "SONOS" a servir como um passo intermédio nos nós de 17 nm e 14 nm. A memória RRAM oferece comutação em sub-nanossegundos com um consumo mínimo de energia e proporciona estabilidade de dados, suportando altas temperaturas e o desgaste gerado pelos ciclos. Esta robustez oferece novas oportunidades nos mercados automóveis e em aplicações embarcadas.
A Elpida, por exemplo, já desenvolveu protótipos de RRAM com o objetivo de iniciar a produção em massa em 2013, com dispositivos que oferecem capacidades de gigabit e que se baseiam num processo de 30 nm. E ainda não há fim à vista...
No entanto, nenhuma destas quatro tecnologias atingiu a produção em massa, uma vez que estão atualmente limitadas a nichos de mercado. A memória flash também deverá continuar a ser produzida em grande escala, pelo menos durante mais algumas gerações, pelo que poderá demorar algum tempo até que possamos dizer: "O rei morreu, viva o rei".
Autor:
Por Mark Cundle, RS Components
