Электромеханическая память

Компания Cavendish Kinetics предложила очередной подход к созданию энергонезависимых запоминающих устройств. В базе ее подхода лежат микроэлектронные механические системы с возможностью интеграции в КМОП-процессы.

Разработка, нареченная Nanomech, обладает самым низким энергопотреблением посреди встраиваемых типов памяти, а по скорости работы сравнима с флэш-памятью. Заглавие Nanomech иллюстрирует ее принцип деяния (набросок 10.4). Запоминающая ячейка представляет собой проводящую  пластинку — кантиливер (микроэлектромеханический актюатор), закрепленный над контактом.

Если меж контактным электродом и пластинкой сделать разность потенциалов, пластинка изогнется и коснется контакта, в итоге чего электронное сопротивление свалится фактически до нуля. Этот эффект обладает гистерезисом, потому что после касания пластинки контакта происходит «залипание» — для разрыва контакта нужна дополнительная энергия. Таким образом, может быть создание памяти типа ПЗУ, в которую что-либо записать можно только в один прекрасный момент. Для перезаписи над пластинкой довольно поставить дополнительный электрод, приложив к которому потенциал можно разомкнуть контакт.

Рис. 10.4 Механизм работы кантилеверного элемента памяти, управляемого разностью потенциалов

Действующие макеты были сделаны по КМОП-технологии с учетом проектных норм 0,35 мкм, но компания убеждает, что такие ячейки памяти можно создавать при соблюдении проектных норм 45 нм. К преимуществам нового типа памяти следует отнести и то, что ток в режиме ожидания отсутствует, а для записи требуется затратить механическую энергию величиной всего 25 пкДж. Устройство остается работоспособным даже при температуре 200 град., при всем этом количество циклов записи-перезаписи может достигать 20 млн.

IBM показала накопитель, обеспечивающий плотность записи данных выше 19,2 Гбайт на 1. Спецы говорят, что этот макет микро-электромеханической системы MEMS способен записать на площади размером с почтовую марку информацию, приблизительно эквивалентную емкости 25 DVD-дисков. Сотрудники IBM окрестили свое устройство Millipede («многоножка»), так как у него тыщи очень маленьких кремниевых шипов, которые могут «прошивать» набросок из отдельных битов в узкой полимерной пленке (набросок 10.5).

Рис. 10.5 MEMS-память Millipede (разработка «многоножка»)

Вообщем говоря, технологию «многоножек» предложил пару лет вспять нобелевский лауреат Герд Бинниг, создатель сканирующего туннельного микроскопа и сотрудник исследовательского института IBM. Он направил внимание на способность микроскопа сформировывать в полимерах ямки наноразмера, наличие которых в определенных точках вещества можно трактовать как единичное значение бита. Бинниг, стараясь приспособить свое открытие к нуждам индустрии, научился сразу исследовать огромное количество схожих ямок. Таким макаром, механизм работы Millipede припоминает всем отлично известные перфокарты.

Главным элементом новейшей технологии служит массив V-образных кремниевых креплений (cantilever), на конце каждого из которых находится маленькая микронная игла. Данные записываются на носители, представляющие из себя очень узкий слой полимерного материала на кремниевой подложке. Наконечник каждого V-образного кронштейна с размещенной на нем иглой сразу служит зоной завышенного сопротивления. При пропускании через него импульса электронного тока игла разогревается до температуры, превосходящей температуру плавления полимера, и «выплавляет» в носителе воронку поперечником около 10 нм. Когда ток прерывается, игла остывает, а полимер затвердевает. Для считывания данных замеряют сопротивление «рабочей части» кронштейна. В данном случае игла также разогревается, но только до наименьшей температуры, при которой полимер, применяемый в носителе, еще не размягчается.

Поверхность носителя сканируется, и при попадании иглы в воронку интенсивность теплоотвода от нее резко возрастает, температура миниатюризируется, в итоге сопротивление меняется скачкообразно, за счет чего и фиксируется бит информации. Возможность неоднократной записи обеспечивается особенностями вязкоупругих параметров полимерных систем. Дело в том, что в области воронки-бита полимер находится в так именуемом метастабильном состоянии, из которого его можно вывести некоторым наружным воздействием, к примеру, при помощи все такого же разогрева до определенной температуры. Производится это методом прохода нагретой иглы над воронкой, после этого последняя исчезает, т. е. данные стираются. По заявлению профессионалов IBM, на сегодня им удалось достигнуть долговечности носителя, превосходящей 100 тыс. циклов перезаписи.

Управление массивом игловатых креплений в Millipede осуществляется при помощи электрических цепей с временным мультиплексированием — подобно тому, как это делается в микросхемах DRAM. Перемещение носителя повдоль массива и его четкое размещение обеспечиваются электрическим приводом. IBM утверждает, что Millipede подходит для мобильных устройств: цифровых камер, мобильников и USB-карт. Но пока идет речь только о лабораторном образчике, а до выхода на рынок Millipede дозреет года через два, не ранее.

В понятие «энергонезависимая память» вклютают также голографическую память, также MEMS-разработки, выполненные с внедрением новых технологий. По оценкам профессионалов, рыночные толики типов энергонезависимой памяти, называемых устройства хранения, выполненные с внедрением микротехнологий, могут составить 40% как в секторе обыкновенной памяти, так и в секторе дисковых устройств.

На рисунках 10.5 — 10.9 представлены устройств прмышленного выполнения на базе МЭМС-технологий.

Набросок 10.6 МEMS – гироскоп и акселерометр

Набросок 10.7 МEMS-преобразователь абсолютного давления

Набросок 10.8 Пьезорезистивная инерциальная микросистема для измерения малых ускорений.
Набросок 10.9 Термоанемометрическая микросистема для контроля состояния газовой среды (стрелка слева показывает на технологическую воздушную полость, а стрелка справа – на чувствительные резистивные элементы на тонких диэлектрических перемычках, шириной около 1 мкм).