Память будущего с дефектами: как «неидеальность» продлевает срок службы чипов
Коллектив ученых из Института квантовых технологий МФТИ исследовал свойства материалов, используемых в микросхемах энергонезависимой памяти электронных устройств. Целью исследования было определить, при каких параметрах данного материала возможно улучшить характеристики энергонезависимой памяти, а именно: повысить ресурс ее работы. Результат оказался неожиданным.
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».
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.
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.
Telegram 
Дзен 
VK Ученые РТУ МИРЭА и Сибирского федерального университета создали программный комплекс, который анализирует учебные планы вузов быстрее секунды и находит в них слабые места. Большинство учебных планов содержат скрытые противоречия, дублирования и неочевидные перекосы в подготовке специалистов. Это важно, потому что от качества учебного плана напрямую зависит, какие реальные навыки получат студенты и насколько они будут востребованы работодателями.
В популярной литературе сверхмассивные черные дыры чаще всего представляют как разрушители звезд и планет. Авторы новой работы попробовали рассчитать, что на самом деле происходит в окрестностях таких объектов и пришли к противоположному выводу.
Значение вилочковой железы (тимуса) для здоровья и долголетия, возможно, сильно недооценивалось. Как показали результаты двух новых исследований, нормально функционирующий во взрослом возрасте тимус — залог здорового старения, долгой жизни и высокой выживаемости при раке.
Вначале Reuters опубликовал статью о взаимоотношениях SpaceX и Пентагона, которую миллиардер --- традиционно для его отношений с этим изданием — назвал фейком. Опровергая ее тезисы, он обнародовал информацию, не представленную ранее публично.
Исследователи опросили более 60 тысяч испытуемых из разных стран и выяснили: чем больше человек зациклен на себе, тем холоднее он к своему партнеру. Правда, снижение накала страстей не всегда плохо, у этого есть и положительные стороны.
Около четырех миллиардов лет назад Солнечная система пребывала в хаосе: гигантские планеты сближались, меняли орбиты и выбрасывали своих соседей в межзвездное пространство. Хотя шансы на «выживание» лун Юпитера и Урана в этот период были крайне малы, астрономы показали, что их судьба может хранить следы древней катастрофы с участием «потерянной» планеты.
В высокогорных районах Гималаев появился новый хищник. Он не боится людей, возглавляет стаи собак и все чаще заходит в деревни. Местные жители называют его «кхипшанг». Речь идет о гибриде гималайского волка и бродячей собаки. Ученые опасаются, что этот зверь изменит хрупкий баланс местной дикой природы и в скором времени станет весьма опасным для человека.
В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
При совпадении нескольких условий наши глаза способны улавливать излучение в ближнем инфракрасном спектре. Тогда сетчатка начинает работать как нелинейный фотодетектор.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно