Nueva tecnología podría ser sucesora de los chips de memoria flash

18 Dic 2006 en Storage

Científicos de IBM, Macronix y Qimonda anunciaron hoy los resultados de una investigación conjunta que da un importante impulso a un nuevo tipo de memoria para computadora que tiene
potencial de convertirse en sucesor de los chips de memoria flash,ampliamente utilizados en computadoras y aparatos electrónicos de consumo como cámaras digitales y reproductores de música portátiles.
 
El adelanto es un prenuncio del éxito futuro de la memoria de “cambio de fase”, que parece ser mucho más rápida y puede ser escalada a dimensiones menores que la memoria flash -permitiendo futuras generaciones de dispositivos con memoria de alta densidad “no volátil” así como una
electrónica más potente. Las memorias no volátiles no necesitan energía eléctrica para retener su información. Combinando la no volatilidad con buen desempeño y fiabilidad, esta tecnología de cambio de fase también puede posibilitar una trayectoria hacia una memoria universal para aplicaciones móviles.

Los científicos, mediante un trabajo conjunto en laboratorios de Investigación de IBM en ambas costas de Estados Unidos, diseñaron, construyeron y mostraron un prototipo de dispositivo de memoria de cambio de fase con una velocidad de conmutación más de 500 veces más rápida que la de
la memoria flash, utilizando menos de la mitad de la energía para grabar datos en una celda. La minúscula sección transversal del dispositivo tiene un tamaño de tan sólo 3 por 20 nanómetros, mucho menor que el de una memoria flash que se puede lograr hoy, siendo equivalente a la capacidad pretendida por la industria manufacturera de chips para el año 2015. Este nuevo
resultado muestra que, a diferencia de la memoria flash, la tecnología de memoria de cambio de fase puede mejorar a medida que se avanza en la reducción de tamaño de acuerdo con la Ley de Moore.

El nuevo material es una aleación semiconductora compleja creada en una exhaustiva investigación conducida en el Almaden Research Center de IBM en San José, California, Estados Unidos. Fue diseñada con la ayuda de simulaciones matemáticas específicas para utilizar en celdas de memoria de cambio de fase.

Los detalles técnicos de esta investigación serán presentados esta semana en el 2006 International Electron Devices Meeting (IEDM) del IEEE (Institute of Electronics and Electrical Engineers) en San Francisco, CA, Estados Unidos (Paper 30.3: “Ultra-Thin Phase-Change Bridge Memory Device Using GeSb” by Y.C. Chen et al. Miércoles en la mañana del 13 de diciembre.) Este artículo también fue uno de los cinco elegidos para la sesión “Highlights of 2006 IEDM” de la Conferencia Internacional de Circuitos de Estado Sólido del IEEE, que será celebrada en San Francisco, CA, Estados Unidos en febrero del 2007.
Detalles técnicos

Una célula de memoria de computadora almacena información -un “cero” o “uno” digital- en una estructura que puede cambiarse rápidamente entre dos estados fácilmente perceptibles. La mayor parte de las memorias hoy se basan en la presencia o ausencia de carga eléctrica contenida en fina región confinada de una celda. Los diseños de las memorias más rápidas y económicas -SRAM y
DRAM, respectivamente – utilizan celdas de memoria intrínsecamente con filtraciones, de modo que pueden cargarse continuamente y, en el caso de las DRAM, también refrescarse frecuentemente. Estas memorias “volátiles” pierden la información que almacenan cuando se interrumpe su alimentación eléctrica.

La mayor parte de las memorias flash tienen una celda de almacenamiento de carga “puerta flotante” proyectada para no filtrarse. Por consiguiente, la memoria flash conserva los datos que almacena y sólo necesita energía para leer, escribir y borrar información. Esta característica “no volátil” hace que la memoria flash sea popular en electrónica portátil accionada a batería. La retención de datos no volátiles también sería una gran ventaja en aplicaciones generales de computación, pero la escritura de datos en memorias flash es miles de veces más lento que en memorias DRAM o SRAM.
Además, las celdas de memorias flash se degradan y se vuelven no confiables después de aproximadamente 100.000 reescrituras. Esto no constituye un problema en muchos usos de consumidor, pero es otro inhibidor para el empleo de memorias flash en aplicaciones que deben reescribirse frecuentemente, como memorias principales de computadora o memorias buffer en redes o sistemas de almacenamiento. Una tercera preocupación para el futuro de la memoria flash es que puede ser sumamente difícil mantener su actual diseño de celda no volátil a medida que su tamaño mínimo se encoge, de acuerdo a la Ley de Moore, por debajo de los 45 nanómetros.

En el corazón de la memoria de cambio de fase se encuentra una diminuta porción de aleación semiconductora que puede cambiarse rápidamente entre una fase cristalina ordenada que tiene baja resistencia eléctrica, a una fase amorfa desordenada con una resistencia eléctrica mucho mayor. Debido a que no se necesita energía eléctrica para mantener cualquiera de las fases del material, la memoria de cambio de fase es no volátil.

La fase del material es fijada por la amplitud y duración de un pulso eléctrico que calienta el material. Cuando se calienta a una temperatura justo por sobre la fusión, los átomos energizados de la aleación se mueven alrededor en disposiciones aleatorias. Interrumpiendo repentinamente el
pulso eléctrico, los átomos se congelan en una fase aleatoria amorfa. Un apagado más gradual del pulso -aproximadamente más de 10 nanosegundos- permite un tiempo suficiente para que los átomos se reordenen así mismos en la fase cristalina bien ordenada que prefieren.

El nuevo material de la memoria es una aleación germanio-antimonio (GeSb) a la que se le han agregado pequeñas cantidades de otros elementos (dopaje) para mejorar sus propiedades. Los estudios de simulación permitieron que los investigadores realizaran una sintonía fina y optimización de las propiedades del material y que estudiaran los detalles de su comportamiento
durante la cristalización. Un pedido de patente fue presentado para cubrir la composición del nuevo material.