Память будущего с дефектами: как «неидеальность» продлевает срок службы чипов

В современных компьютерах и электронных приборах, доступных на рынке, используется один из двух типов памяти: SSD (твердотельные накопители на флеш-памяти) и HDD (жесткие диски на основе магнитной записи). Оба типа обладают как достоинствами, так и недостатками. 

SSD быстрее извлекает и обрабатывает информацию, но у них ограниченный ресурс перезаписи ячеек памяти. Если SSD переполнен данными, он начинает работать значительно медленнее и чаще совершает ошибки записи. В среднем срок работы современного SSD составляет 7–10 лет. Выход из строя часто происходит мгновенно, без предупредительных сигналов, хотя современные модели поддерживают системы мониторинга состояния, позволяющие заранее выявить исчерпание ресурса.

Что касается HDD, то они уступают SSD в скорости работы, но превосходят их в длительности эксплуатации и надежности хранения информации. При этом до выхода из строя у HDD, в отличие от SSD, проявляются характерные симптомы: щелчки и скрежет. Эти симптомы предупреждают пользователя о том, что стоит поскорее пересохранить данные.

«Развитие технологий хранения данных продолжается, и в будущем появятся новые типы памяти, основанные на других физических принципах. В частности, ведутся исследования в области сегнетоэлектрической памяти», — отметила Анастасия Чуприк, заведующая лабораторией перспективных концепций хранения данных Института квантовых технологий МФТИ.

Благодаря физическим свойствам сегнетоэлектриков, этот новый тип памяти, которую называют энергонезависимой или постоянной, может значительно превосходить SSD HDD по трем важным характеристикам:

скорость,  энергопотребление, ресурс. 

Однако на практике могут возникать трудности, препятствующие тому, чтобы потенциал физических свойств сегнетоэлектриков для микроэлектроники мог в полной мере реализоваться. В рамках работы ученые лаборатории перспективных концепций хранения данных МФТИ решали проблему, связанную с повышением ресурса энергонезависимой памяти, основанной на сегнетоэлектриках. Работа опубликована в журнале «Радиотехника и электроника».

Общий вид образцов / © «Радиотехника и электроника» 

Ключевым элементом микросхемы сегнетоэлектрической памяти является конденсатор, обеспечивающий энергонезависимость и выполняющий роль ячейки памяти. Конденсатор представляет собой структуру из двух металлических электродов, между которыми расположен слой диэлектрического материала, плохо проводящего электрический ток. В данном случае таким материалом является сегнетоэлектрик.

Сегнетоэлектрические свойства материала возникают лишь в особой структурной фазе — когда все атомы этого материала располагаются определенным образом. Оптимальная толщина материала при этом составляет пару десятков нанометров — 10–20 атомных слоев.

«В качестве такого материала мы использовали легированный оксид гафния. Его плюс в том, что этот материал уже давно применяется в микроэлектронике и хорошо “дружит” с существующими технологиями производства чипов. Проще говоря, такие решения легче довести до реального производства, не меняя кардинально всю технологию», — уточнил Илья Савичев, младший сотрудник лаборатории перспективных концепций хранения данных МФТИ.

Сбои в сегнетоэлектрической памяти могут возникать при деградации слоя сегнетоэлектрика, когда в нем формируются проводящие каналы (пробои), по которым начинает течь ток. Одной из возможных причин является накопление заряда вблизи электродов, из-за чего дефектные ионы начинают мигрировать между электродами, разогревая и изнашивания прилегающую к ним пленку сегнетоэлектрика. 

Тестирование характеристик памяти / © «Радиотехника и электроника»

Исходя из этого, специалисты предполагали, что для повышения ресурса памяти следует придерживаться верхней границы диапазона оптимальной толщины сегнетоэлектрической пленки, разделяющей электроды. То есть чем толще слой сегнетоэлектрика, тем лучше. 

Результаты эксперимента показали, что если утончать пленку до экстремально малых размеров, то в материале формируется неоднородная структура — области, где атомы вещества выстраиваются в сегнетоэлектрическую фазу, перемежаются с аморфными участками, в которых атомы располагаются хаотично. Бытовым примером такой аморфной структуры служит стекло. Этот изъян в сегнетоэлектрической структуре позволяет защитить ее от дефективных ионов, тем самым продлив «жизнь» компьютерной памяти. 

«Вопреки ожиданиям, именно при такой «неидеальной» структуре сегнетоэлектрическая пленка становится более устойчивой к воздействию мигрирующих ионов, потому что аморфная фаза сдерживает их миграцию. В конечном итоге это позволяет значительно увеличить ресурс памяти»,— рассказала Анастасия Чуприк.

Сотрудники лаборатории под руководством Анастасии Чуприк занимаются фундаментальными и прикладными исследованиями, направленными на разработку запоминающих устройств нового поколения. Результаты исследований и разработок не только задействуются в образовательном процессе МФТИ, но также предоставляются коммерческим партнерам университета.