В процессе чтения измеряется сопротивление цепи между электродом и элементом межсоединения. Если оно мало (если трубки касаются электрода), то полагают, что в ячейку записан «0», в противном случае — «1». При тестировании опытных образцов скорость записи данных в ячейку не превышала 5 нс.
Оказалось, что для выполнения записи и стирания данных не требуется больших токов и зарядов. Память получается очень экономичной. Во всяком случае, лабораторные экземпляры обещают чудесные параметры в будущем: благодаря применению нанотехнологий размеры ячейки должны быть меньше, чем у DRAM, и, следовательно, объемы памяти будут больше. Потребляемая мощность ниже, а скорость доступа выше. Поскольку углеродные волокна имеют высокую прочность, а операции записи и чтения не нарушают структуры углеродных трубок, то срок их службы будет практически неограничен.
В отличие от Flash-памяти число циклов записи может быть бесконечным. Радиационная и электромагнитная стойкость NRAM тоже много выше, чем у традиционных кремниевых Flash. (Вероятно, именно эти качества побудили компанию BAE Systems принять участие в разработке технологии.) К сожалению, пока все это не удается воплотить в серийный продукт, имеющий конкурентную стоимость.[3]
Нанотехнологии – это абсолютно новое явление в электронике, и накопленного опыта пока еще не достаточно, чтобы уверенно прогнозировать их применимость в тех или иных областях техники. Однако заложенный в них потенциал очень велик, и по мере развития и совершенствования нанотехнологии смогут потеснить сегодняшних фаворитов.
Хотя оба типа описанных технологий энергонезависимой памяти (память OVONYX и память на нанопереключателях) довольно интересны и обладают привлекательными качествами, но все же самые большие ожидания связаны с другими исследованиями. В явные лидеры вышли две принципиально разные технологии, позволяющие уже сегодня получать универсальную память с качествами идеальной памяти (энергонезависимость, произвольный доступ, высокая скорость работы). Это ферроэлектрическая (FRAM) и магниторезистивная (MRAM) технологии. [2]
Не застыли на месте исследования и в традиционных технологиях энергонезависимой памяти. Flash-память преодолевает все новые рубежи плотности и при этом становится все менее энергоемкой. Пока ни одна из серийных ИС памяти, сделанных по другим технологиям, не может приблизиться к Flash по этим характеристикам. Лидирующая четверка мировых производителей данного типа памяти – INTEL, AMD, TOSHIBA и SAMSUNG – все время совершенствует техпроцессы, переходя ко все более маленьким технологическим размерам. Преодолен рубеж в 90 нм, и начинается подготовка к переходу на 65-нм технологию.
По-прежнему Flash делится на два класса – NOR-память, характеризующуюся сравнительно коротким временем доступа и большими размерами сторов, и NAND-память, которой свойственны меньшие размеры секторов, более высокое напряжение программирования и более длительные циклы доступа к данным.
Первый тип памяти чаще применяется для хранения программного обеспечения, а второй – для хранения данных. Второй тип является наиболее массовым и имеет меньшую стоимость. Его основной недостаток — относительно низкая скорость записи. Впрочем, это препятствие можно частично преодолеть посредством встраивания скоростных буферных регистров
Эволюция Flash-памяти четко подчиняется закону Мура и повторяет путь развития DRAM. Размер ячейки непрерывно сокращался и за 10 лет изменился в 30 раз. Структуры ячеек памяти тоже совершенствуется, но характерные для них ограничения и отрицательные черты остаются неизменными. Самым важным технологическим новшеством Flash было изобретение инженерами Intel многоуровневой ячейки памяти, позволяющей хранить в одной ячейке 2 разряда данных. Однако, по мере роста объемов ИС, физические размеры ячейки становятся все более миниатюрными, и для рассеивания оксидных перегородок, изолирующих плавающий затвор, требуется все меньшее напряжение. Это сказывается на надежности памяти и ограничивает число циклов обращения. [5]
Полимерная память (Polymer Memory) относится к категории флэш-памяти и может использоваться для энергонезависимого хранения данных. По оценкам аналитиков, удельный объем такой памяти, отнесенный к одному квадратному сантиметру площади, почти в 20 раз больше, чем у обычной флэш-памяти. Разработки этого типа памяти ведут многие компании, в частности компания Intel в содружестве с Thin Film Electronics – дочерней компанией шведской фирмы Opticom, впервые предложившей полимерную память еще в 1994 году. Специалистами Thin Film Electronics получена специфическая группа полимеров с двумя стабильными состояниями поляризации. Это позволяет программировать память путем изменения поляризации пленки сегнетоэлектрического полимера, заключенной между взаимно перпендикулярными металлическими шинами, и обеспечивает энергонезависимость памяти.
Пленка полимера может содержать и тонкопленочные транзисторы схем управления. Возможность формирования многослойных структур полимерной памяти позволяет получить ранее недостижимый объем памяти. Если для функционирования обычной кремниевой схемы памяти объемом 1 Гбит требуется 1,5-6,5 млрд транзисторов, то для памяти PFRAM-типа такого же объема их нужно только 500 тыс. При этом объем полимерной памяти размером с кредитную карту эквивалентен объему 400 тыс. CD-дисков или объему устройства, хранящего достаточно данных для воспроизведения музыки MPG-формата в течение 126 лет. При этом увеличение емкости памяти за счет нанесения дополнительных полимерных пленок не влечет за собой существенного увеличения потребляемой мощности.
Специалисты Intel считают, что PFRAM найдут применение в первую очередь в картах памяти цифровых фотокамер и другом бытовом оборудовании. Но прежде всего необходимо решить проблему обработки термочувствительного материала в условиях полупроводникового производства. И на вопрос, когда же начнется массовое производство PFRAM, можно ответить, что при удачном стечении обстоятельств не раньше чем в 2010 году.
PRAM – это новый тип памяти, позиционируемый как универсальная замена и динамической, и флэш-памяти. В качестве признака состояния ячейки предлагается использовать изменение фазового состояния халькогенида (chalcogenide) – вещества, способного под воздействием нагрева и электрических полей переходить из непроводящего аморфного состояния в проводящее кристаллическое. Такая память известна также как «память с изменением фазового состояния» (phase change memory, PCM), PRAM и Ovonic Unified Memory. Она является энергонезависимой, то есть не требует электропитания для сохранения своего состояния.
Наряду с материалами, описывающими возможные перспективы производства мультигигабитных чипов PCM по 45- или 32-нм процессу, компания ST представила прототип 128-мегабитного чипа PCM, изготовленный по 90-нм технологии. К преимуществам PRAM-памяти относятся малая площадь ячейки, хорошие электрические характеристики и высокая надежность.
До сих пор халькогениды применялись в основном в перезаписываемых оптических носителях, где использовалась их способность к изменению не только электрических, но и оптических свойств, а коммерческая реализация PCM была затруднена из-за проблем с получением достаточно качественного материала и с энергопотреблением. Возрастание интереса к этому типу памяти связано с тем, что PCM лучше подходит для применения вместе с более «тонкими» литографическими техпроцессами, чем динамическая или флэш-память.
MRAM (Magnetic Random Access Memory) – это один из перспективных типов энергонезависимой памяти, которая может прийти на смену как динамической оперативной памяти DRAM, так и статической памяти SRAM и флэш-памяти.
Вместо конденсаторов, применяемых в микросхемах DRAM, технология MRAM предусматривает использование тонкой магнитной пленки. В привычных нам микросхемах памяти информация сохраняется благодаря формированию соответствующим образом распределенного заряда конденсаторов, а в устройствах MRAM это будет осуществляться за счет намагничивания пленки.
Одно из преимуществ новой технологии заключается в том, что, в отличие от DRAM, память MRAM является энергонезависимой. В микросхемах DRAM информация хранится в конденсаторах, и при отключении питания происходит ее потеря. Это означает, что для длительного хранения информацию необходимо переписывать на жесткий диск, имеющий магнитную поверхность. Благодаря энергонезависимости память MRAM позволяет преодолеть это ограничение. Таким образом, при отключении питания не пропадет ни бита.
Применение эффекта магнитной поляризации вместо электрического заряда подразумевает отсутствие необходимости периодического обновления памяти MRAM. Таким образом, отпадает надобность и в загрузке компьютера в начале каждого сеанса работы. Пользователи получат в свое распоряжение устройства постоянной готовности. Времени на их включение уйдет не больше, чем на включение телевизора.
Еще одно преимущество памяти MRAM состоит в том, что она обеспечивает заметное сокращение расхода энергии батарей. Ведь, в отличие от микросхем SRAM и DRAM, здесь не требуется постоянного энергоснабжения.
Технология MRAM выглядит многообещающей. Конечно, пройдет еще немало времени, прежде чем память MRAM появится в коммерческих системах. Но если данная технология будет развиваться в правильном направлении, то со временем она вытеснит с рынка микросхемы DRAM.
Таблица 1 – Сравнительные характеристики различных технологий памяти
| Св-ва/Тип памяти | MRAM | DRAM | SRAM | FLASH | EEPROM | FeRAM |
| Высокая плотность | + | + | - | + | - | - |
| Энергонезави-симость | + | - | - | + | + | + |
| Произвольный доступ | + | + | + | - | - | + |
| Неразрушающее чтение | + | - | + | + | + | - |
| Неограниченное число обращений | + | + | + | - | - | - |
| Быстрое считывание | + | + | + | + | + | + |
| Быстрая запись | + | + | + | - | - | + |
| Низкое потребление при записи | + | + | + | - | - | + |
| Цикл чтения | 5–70 нс | ~100 нс | 5–100 нс | ~100 нс | ~100нс | 50–150 нс |
| Цикл записи | 5–70 нс | ~100 нс | 5–100 нс | >1 мс | >1 мс | 50–150 нс |
| Напряжение записи,В | <5 | <5 | <5 | 5 | 12 | <5 |
| Срок хранения данных (без питания), лет | Беско-нечно | 0 | 0 | >10 | >5 | >10 |
| Стойкость (число циклов записи) | >1015 | >1015 | >1015 | ~106 | ~106 | ~106 |
| Радиационная стойкость | + | - | - | - | - | - |
Собственно, первоначально прогнозировалось, что первые образцы MRAM-памяти появятся на рынке уже в 2004 году, а в 2005-м спрос на память составит 40 млрд долл. Именно такие прогнозы делались в 2001 году.