211service.com
Dichter, sneller geheugen Uitdagingen voor zowel DRAM als Flash
Een nieuw type geheugenchip dat een startend bedrijf net is begonnen te testen, zou toekomstige smartphones en andere computerapparaten zowel een snelheids- als opslagboost kunnen geven. De technologie, ook wel crossbar-geheugen genoemd, kan gegevens ongeveer 40 keer zo dicht op elkaar opslaan als het meest compacte geheugen dat momenteel beschikbaar is. Het is ook sneller en energiezuiniger.
Meer geheugen: Het geheugenopslagapparaat dat in dit elektronenmicroscopische beeld wordt getoond, zou dramatische sprongen kunnen maken in de capaciteit van geheugenkaarten en andere digitale gegevensopslag.
Het vermogen van de technologie om veel gegevens in een kleine ruimte op te slaan, zou de flash-geheugenchips kunnen vervangen die de basis vormen van geheugenkaarten, sommige harde schijven en de interne opslag van mobiele apparaten. Gegevens kunnen snel genoeg worden geopend en naar het crossbar-geheugen worden geschreven om te zien dat het mogelijk ook concurreert met DRAM, dat wordt gebruikt als kortetermijngeheugen, in computerapparatuur. De technologie is aanzienlijk energiezuiniger dan zowel flash als DRAM.
Het zal veel dichter en sneller zijn dan flits omdat het niet gebaseerd is op bewegende elektronen of op transistors, zegt Wei Lu , een professor aan de Universiteit van Michigan wiens onderzoek leidde tot de ontwikkeling van crossbar-geheugen. Lu is ook medeoprichter en hoofdwetenschapper van de in Santa Clara, Californië gevestigde startup Crossbar, die de technologie commercialiseert. Hij merkt op dat het bedrijf in eerste instantie zijn technologie ontwikkelt om flash-opslag te vervangen.
Demonstratie-crossbar-geheugenchips worden gemaakt door TSMC, 's werelds grootste contractchipfabrikant. Crossbar zegt dat de huidige versie van de technologie één terabyte aan gegevens (1.000 gigabyte) kan opslaan op een enkele chip van 200 vierkante millimeter, ongeveer zo groot als een postzegel. Ter vergelijking: de meest compacte flashgeheugenchips die momenteel op de markt zijn, slaan 16 gigabyte op op een enkele chip. De kleinste chip, geïntroduceerd door Micron in mei van dit jaar, heeft een oppervlakte van 144 vierkante millimeter.
Crossbar-geheugen wordt zo genoemd vanwege de eenvoudige structuur op nanoschaal die wordt gebruikt om gegevens op te slaan. Twee lagen gelijkmatig verdeelde, staafachtige elektroden zijn op elkaar gestapeld, waarbij de staven van de bovenste laag 90 graden zijn georiënteerd ten opzichte van die van de laag eronder om een raster te vormen. Gegevensbits - enen en nullen - worden opgeslagen op elk van de kruispunten waar elektroden van de verschillende lagen elkaar kruisen.
Die basale dwarsbalkarchitectuur wordt al jaren gebruikt als basis voor nieuwe ideeën in de elektronica, ook voor geheugen (zie Moleculair geheugen). De versie van Lu is echter anders in de manier waarop het gegevens op de kruispunten opslaat, met behulp van een eenvoudige spacer gemaakt van amorf silicium op elk kruispunt in plaats van een meer exotisch materiaal.
In Crossbar's chips scheidt die spacer de elektrode van de bovenste laag, gemaakt van zilver, van die van de onderste laag, gemaakt van een niet-metalen geleider. Bits worden opgeslagen door die spacer te laten wisselen tussen een isolator en een geleider - soms laat stroom door tussen de bovenste en onderste elektroden, soms de stroom blokkerend. De spacer kan zijn staat, en dus een beetje, behouden zonder stroom.
Gegevens worden geschreven door een specifieke stuurspanning aan te leggen op een bepaalde dwarsbalkovergang. Het toepassen van een positieve spanning zorgt ervoor dat zilveren nanodeeltjes uit de bovenste staaf in de siliciumafstandhouder kruipen, en uiteindelijk ver genoeg doordringen om een elektrisch pad tussen de bovenste en onderste staafjes te creëren, zodat stroom kan vloeien. Het toepassen van een negatieve stuurspanning kan dat proces omkeren. Gegevens worden uitgelezen uit het geheugen van de dwarsbalk door de geleidbaarheid van elk knooppunt te testen.
In de demonstratiechips die tegenwoordig worden geproduceerd, is een laag crossbar-geheugenstructuren gestapeld op een laag conventionele silicium CMOS-circuits. Dat circuit leest, schrijft en wist gegevens uit de overhead van de crossbar-geheugenlagen.
Crossbar, dat $ 25 miljoen aan investeringsfinanciering heeft ontvangen van Kleiner Perkins Caufield & Byers, Artiman Ventures en Northern Light Venture Capital, begon in 2010 met het commercialiseren van Lu's onderzoek. Een cruciaal onderdeel van het ontwikkelingsproces was de aanpassing van de nieuwe technologie voor massaproductie in bestaande chipfabrieken, zegt Lu. Experimenteren was nodig om te bepalen hoe de nieuwe dwarsbalkstructuren bovenop conventionele CMOS-schakelingen konden worden geplaatst. Je wilt de CMOS-laag niet besmetten of de temperatuur zo verhogen dat deze beschadigd raakt, zegt Lu.
De technologie van Crossbar bereidt zich voor op de markt in een tijd waarin geheugenfabrikanten worstelen om meer datadichtheid uit bestaande methoden voor het maken van flashgeheugen te persen, zegt Brian Cronquist, een vice-president van Monolithische 3D , een bedrijf dat 3D-chiparchitectuurontwerpen ontwikkelt. De manieren waarop ze flashgeheugen hebben geschaald, werken niet meer.
Flash-geheugenchips slaan gegevens op als eilanden van lading op een oppervlak, maar die eilanden kunnen niet strakker worden verpakt dan ze nu zijn, waardoor verbeteringen in de dichtheid praktisch onmogelijk zijn. Dat heeft Samsung en Toshiba ertoe aangezet om te werken aan 3D-flashgeheugenchips, die meerdere ladingopslagoppervlakken stapelen. Samsung produceerde eerder dit jaar werkende chips die klaar zijn voor massaproductie.
Cronquist zegt echter dat die aanpak pas over een paar jaar winst zal opleveren, dus een nieuwe technologie zal het over moeten nemen. Crossbar's is een mogelijke kanshebber, zegt hij onder meer in ontwikkeling.
Een daarvan is die van HP, gebaseerd op een elektrisch onderdeel dat bekend staat als de memristor, waarvan het bestaan werd voorspeld in 1971 maar voor het eerst werd gemaakt in 2008 (zie Memristor-geheugen gereed voor productie). HP zei vorig jaar nog dat het de technologie eind 2013 zou lanceren, maar het heeft zijn plannen niet recentelijk bevestigd.