Память на фазовых переходах научили срабатывать за доли наносекунды

Ученые создали энергонезависимую память на основе фазового перехода с временем записи около 700 пикосекунд без необходимости предварительной выдержки. Это делает ее сравнимой по скорости с обычной энергозависимой памятью с произвольным доступом, сообщают ученые в журнале Science.

В последние годы во многие компьютеры в качестве запоминающего устройства устанавливают не жесткие диски, а твердотельные накопители на основе флеш-памяти. Между оперативной памятью и флеш-памятью есть множество технических различий. В отличие от оперативной памяти, флеш-память энергонезависима, но вместе с этим имеет меньшее быстродействие.

В качестве альтернативы разрабатываются несколько типов памяти, в том числе и память на основе фазовых переходов. Ее принцип хранения информации основан на переходе материала в ячейке между кристаллическим и аморфным состояниями. Это позволяет хранить информацию в ячейках без постоянно приложенного напряжения, а в некоторых случаях хранить в ячейке не только бинарные (0 или 1), но и более сложные состояния. Одной из проблем такой памяти, мешающей ей конкурировать с оперативной памятью типа DRAM и SRAM, является быстродействие.

Обычно такая память основана на использовании германия, сурьмы и теллура. Для перехода из аморфного в кристаллическое состояние ячейка нагревается и атомы в нем становятся более подвижными. При этом в нем образуются и распадаются различные кристаллические зародыши. Из-за стохастичности этого процесса для получения зародыша критического размера, достаточного для начала кристаллизации всего объема, необходимо предварительно выдержать материал в течение нескольких наносекунд, хотя сама кристаллизация может проходить гораздо быстрее.

Группа ученых из Германии, Китая и США под руководством Фэн Жао (Feng Rao) обнаружила более оптимальный состав, который позволяет достичь более быстрой кристаллизации. Они решили подобрать элемент на замену германию в GeSbTe, который соответствовал бы теллуриду сурьмы по кристаллическому строению, температуре плавления и другим показателям. С помощью теории функционала плотности и сопоставления параметров кристаллического строения они выбрали скандий.

Исследователи создали прототип памяти на основе Sc_0,2Sb₂Te₃ по 130-нанометровому техпроцессу. Выяснилось, что время, необходимое для кристаллизации материала в ячейке при записи составляет около 700 пикосекунд, что примерно на порядок ниже, чем у аналогичной ячейки на основе Ge₅Sb₂Te₅ с учетом предварительной выдержки.

Недавно исследователи из IBM предложили необычное применение памяти на основе фазовых переходов. За счет использования памяти с промежуточными (между 0 и 1) состояниями они смогли добиться не только хранения, но и обработки информации прямо в чипе памяти.

Григорий Копиев