Разработка памяти на углеродных трубках выходит на финишную прямую

Лукас Мериан, Computerworld, США

Новый тип энергонезависимой памяти Nano-RAM (NRAM), который создан на основе углеродных нанотрубок и превосходит по скорости DRAM, изготавливается сегодня на семи заводах в различных странах мира. 

По данным компании Nantero, являющейся изобретателем NRAM, экспериментами с новой памятью занимаются уже более десятка корпоративных клиентов.

«Заводы уже приступили к выпуску микросхем и подложек, – отметил генеральный директор Nantero Грег Шмергель. – Речь пока идет об опытных образцах и тестовых чипах. Прежде чем переходить к массовому производству, требуется довести их конструкцию до уровня, приемлемого для потребителей».

Пройдет, по-видимому, года два, прежде чем память NRAM начнет сходить с производственных линий в промышленных масштабах.

«Это одна из немногих технологий, которые уже вышли за пределы исследовательских лабораторий и подбираются к стадии крупномасштабного производства, – указал главный аналитик компании Forward Insights Грег Уонг. – Уникальное сочетание высокой скорости и долговечности NRAM создает условия для появления инновационных продуктов, предназначенных как для конечных потребителей, так и для корпоративных клиентов».

Потенциал NRAM позволяет создавать память, которая будет иметь гораздо более высокую плотность по сравнению с флеш-памятью NAND, широко используемой сегодня в твердотельных накопителях и флэшках с USB-интерфейсом. Норма проектирования при изготовлении флеш-памяти NAND самой высокой плотности приближается сегодня к 15 нм. У памяти NRAM этот же показатель может составлять менее 5 нм.

В последние два года компания сумела уменьшить стоимость производства памяти NRAM в 10 раз, сделав ее совместимой c КМОП-микросхемами – стандартом, используемым при выпуске процессоров и памяти DRAM.

Одним из важных преимуществ памяти NRAM перед традиционной флеш-памятью NAND является ее устойчивость к нагреванию. Она может выдерживать температуру до 300 градусов Цельсия. В Nantero утверждают, что при температуре 85 градусов Цельсия их память способна служить тысячи лет, а испытания показали, что при 300 градусах она сохраняла работоспособность на протяжении 10 лет. Ни один бит данных не был потерян.

Еще одним преимуществом NRAM является использование интерфейса DDR4. Таким образом, каждую секунду может выполняться до 3,2 млрд операций передачи данных на скорости 2400 Мбит/с – это более, чем вдвое превышает возможности сегодняшней памяти NAND. Сама по себе NRAM способна выполнять операции чтения и записи в тысячи раз быстрее NAND. Узким же местом является интерфейсная шина компьютера.

«Переключение нанотрубок из выключенного состояния во включенное и из включенного в выключенное происходит в течение интервала, измеряемого пикосекундами», – сообщил Шмергель. Пикосекунда – это одна триллионная часть секунды.

Углеродные нанотрубки отличаются очень высокой прочностью. При толщине в 50 тыс. раз меньше человеческого волоса они тверже стали в 50 раз. Благодаря прочности углеродных нанотрубок NRAM обладает гораздо более высокой износостойкостью при выполнении операций записи по сравнению с флэш-памятью NAND.

Даже лучшие микросхемы флеш-памяти NAND с кодом коррекции ошибок выдерживают лишь около 100 тыс. циклов стирания-записи. Согласно заявлениям Nantero, наработка на отказ NRAM составляет 1012 циклов записи и 1015 циклов чтения – это фактически бесконечная величина.

Нагревание и вибрация ошибок также вызывать не должны.

Углеродные нанотрубки выращиваются из частиц катализатора, в роли которого, как правило, выступает железо.

Память NRAM изготавливается из примыкающих друг к другу углеродных нанотрубок, которые либо касаются одна другой, либо находятся на некотором расстоянии. Каждая «ячейка» NRAM или транзистор представляет собой сеть углеродных нанотрубок, расположенных между двумя металлическими электродами. Память работает точно так же, как и другие резистивные энергонезависимые технологии оперативной памяти. Углеродные нанотрубки, не вступающие в непосредственный контакт друг с другом, имеют высокое сопротивление, соответствующее «выключенному» состоянию ('0'). У нанотрубок, находящихся в контакте, сопротивление уменьшается, что соответствует «включенному» состоянию ('1').

В последние несколько месяцев Nantero наняла более десятка специалистов по проектированию микросхем, и сегодня они занимаются созданием схем высокой плотности, в том числе трехмерных или стековых конструкций.

«Речь здесь идет о многих гигабайтах, а в перспективе и о терабайтах», – подчеркнул Шмергель.

Выпускать устройства NRAM, которые на начальном этапе будут иметь то же назначение, что и сегодняшние твердотельные накопители или платы внутренней памяти, самостоятельно компания Nantero не планирует. Но она намерена лицензировать свою интеллектуальную собственность предприятиям, разрабатывающим собственные продукты. Инженеры Nantero проектируют конструкцию микросхем для подложек памяти.

Благодаря устойчивости к нагреванию, вибрации и давлению память Nantero на базе углеродных нанотрубок уже привлекла внимание аэрокосмического гиганта Lockheed Martin и компании Schlumberger – ведущего поставщика услуг по разведке нефтегазовых месторождений и бурению. Оба предприятия являются клиентами Nantero.

Назвать имена других клиентов в Nantero отказались.

«Конечно, таким организациям, как Schlumberger, нужна память, которая будет выдерживать очень высокую температуру на нефтяных скважинах», – указал Шмергель.

Компания Nantero была основана в 2001 году и с этого момента сумела привлечь финансирование в размере 78,1 млн долл. Бывший вице-президент Intel Flash Memory Group Стефан Лэй присоединился к Nantero в качестве технического консультанта. Лэй является соавтором изобретения ячеек флеш-памяти EPROM (erasable programmable read only memory) и возглавлял команду разработчиков памяти с изменением фазового состояния (phase change memory, PCM).

«Технологии Nantero NRAM присущи уникальные черты, которые делают ее наиболее многообещающим кандидатом на роль практически идеальной памяти, – указал Лэй. – Энергонезависимость флеш-памяти сочетается здесь с производительностью и функциональностью DRAM, а также с низкой себестоимостью производства».

Бывший исполнительный вице-президент тайваньской компании Inotera Memories Йо Вен Ху тоже принимает участие в заседаниях совета директоров Nantero в качестве технического консультанта. Два завода Inotera, являющейся партнером Micron, выдают почти 10% мирового производства 300-миллиметровых кремниевых подложек для памяти DRAM.

«Доступная технология очень быстрой памяти, позволяющей хранить терабиты данных и потребляющей минимальный объем электроэнергии, обещает изменить будущее электроники, – подчеркнул директор компании Webfeet Research Алан Нибел. – На протяжении 12 лет мы занимались исследованием NRAM и сегодня аплодируем Nantero, которой в последние два года удалось сократить себестоимость выпуска в десять раз, обеспечить совместимость NRAM с КМОП и доказать жизнеспособность коммерческого производства продуктов NRAM по предлагаемой ею лицензии».