Ученые из Московского физико-технического института разработали метод, который поможет продлить срок службы микросхем. Он основан на предсказательной модели, оценивающей изменения напряжений перезаписи информации в ячейках памяти на разных этапах их жизненного цикла. Модель учитывает запись информации, хранение, чтение и перезапись, а также изменения температуры, частоту работы и методы восстановления ячеек памяти после состаривания со временем. Статья опубликована в журнале Physical Review. Об этом CNews сообщили представители МФТИ.
Энергонезависимая сегнетоэлектрическая память производится из тонких пленок оксида циркония и гафния. Она обладает рядом преимуществ, среди которых низкое потребление энергии, высокая скорость работы и ресурс (обычно срок ее службы составляет несколько десятков миллиардов операций, что значительно больше, чем у традиционной флэш-памяти, ресурс которой ограничен 100 тыс. циклов). Однако коммерциализация такой памяти затруднена, поскольку с течением времени данные на ней могут «затеряться» из-за изменения коэрцитивного напряжения, при котором переключается сегнетоэлектрическая поляризация. Из-за перераспределения зарядов в пленке оксида гафния-циркония, происходящего под действием поля сегнетоэлектрической поляризации, коэрцитивное напряжение постепенно увеличивается при хранении информации. При долгом хранении оно может стать больше рабочего напряжения микросхемы, и произойдет сбой считывания.
Ученые по всему миру ищут способы замедлить этот эффект и повысить срок службы сегнетоэлектрической памяти. В своей работе исследователи МФТИ предлагают новую предсказательную модель, которая поможет спрогнозировать изменения коэрцитивного напряжения на разных этапах работы памяти — от записи данных до их хранения и считывания.
«До сегодняшнего дня было множество попыток замедлить эффект с помощью разработки различных материалов и их границ раздела. Результаты оцениваются путем сравнения переключаемой поляризации и коэрцитивных напряжений во время записи информации и ее считывания после определенного времени хранения информации при фиксированной температуре. Однако реальные сценарии работы ячейки памяти намного сложнее, чем простой цикл записи-сохранения-чтения. Каждый может представить многообразие сценариев, например, по тому, как он использует память телефона. Скажем, свежая фотография записывается в память, хранится в ней при самых разных температурах, потому что мы используем телефон и зимой, и летом. При просмотре фотографии происходит чтение. Когда мы удаляем фотографию, в эти ячейки памяти перезаписывается новая информация, и история начинается заново. Коэрцитивные напряжения изменяются в течение всего срока службы ячейки памяти, и сбой чтения может произойти на последующих этапах. В этой работе мы предлагаем предсказательную модель для расчета изменения коэрцитивных напряжений при любом сценарии работы ячейки памяти», - сказала заведующая лабораторией перспективных концепций хранения данных МФТИ Анастасия Чуприк.
Предложенная учеными модель основана на динамике переключения поляризации, описанной уравнением Ландау-Халатникова, и явлении инжекции заряда в ловушки на границах раздела сегнетоэлектрика и металлических электродов. Она учитывает множество факторов, таких как циклы записи и перезаписи, хранение информации, колебания температуры, которым подвергается микросхема, и частоту работы памяти.
В своей работе научный коллектив использовал математические уравнения для описания того, как меняется напряжение при перераспределении заряда. В итоге эти расчеты совпали с результатами экспериментов, в ходе которых моделировались реальные сценарии работы ячейки памяти на основе пленки Hf0,5Zr0,5O2 (оксид циркония и гафния) толщиной 10 нм.
Предложенная модель может служить инструментом как для разработки материалов, так и для проектирования микросхем памяти, что позволит продолжить развитие сегнетоэлектрической памяти.
В частности, благодаря разработке российских ученых компьютеры, смартфоны, носимые и другие электронные устройства, смогут работать значительно быстрее и дольше.
Поделиться
