Современные смартфоны и другие гаджеты во многом зависят от работы микросхем, в которых хранится информация. Одной из перспективных технологий памяти считают сегнетоэлектрическую память. Она энергонезависимая, быстрая и экономичная. Однако со временем данные в таких микросхемах могут «стираться», что ограничивает срок их службы.
Исследователи из Московского физико-технического института разработали новый метод, который поможет продлить жизнь сегнетоэлектрической памяти. В основе метода лежит предсказательная модель, способная оценивать изменения напряжения, необходимого для записи и считывания информации, на разных этапах эксплуатации микросхемы.
Сегнетоэлектрическая память сделана из очень тонких слоев специальных материалов — оксидов циркония и гафния. Она потребляет мало энергии, работает быстро и служит очень долго — обычно выдерживает десятки миллиардов циклов записи и чтения. При этом обычная флеш-память — наиболее распространенный тип энергонезависимой памяти, который используется в USB-флешках и картах памяти — работает примерно 100 тыс. таких циклов. Но у сегнетоэлектрической памяти есть слабое место: в процессе использования меняется так называемое коэрцитивное напряжение — минимальное электрическое поле, необходимое для переключения поляризации.
Изменения происходят из-за перераспределения зарядов в слоях оксидов под действием электрического поля, которое используется для записи информации. При длительном хранении данных коэрцитивное напряжение растет и может превысить рабочее напряжение микросхемы. В результате устройство перестает правильно считывать информацию, а это приводит к сбоям.
«Коэрцитивные напряжения изменяются в течение всего срока службы ячейки памяти, и сбой чтения может произойти на последующих этапах. В этой работе мы предлагаем предсказательную модель для расчета изменения коэрцитивных напряжений при любом сценарии работы ячейки памяти», — рассказала заведующая лабораторией перспективных концепций хранения данных МФТИ Анастасия Чуприк.
Ученые создали модель, которая помогает понять, как работает сегнетоэлектрическая память. Она учитывает влияние различных факторов: циклы записи и перезаписи, хранение информации, колебания температуры, которым подвергается микросхема, и частоту работы памяти.
Они использовали математические формулы, чтобы описать эти процессы, а потом проверили свои расчеты на экспериментах с реальными микросхемами из специальной пленки Hf0, 5Zr0, 5O2 (оксид циркония и гафния) толщиной 10 нм. Результаты совпали.
Модель поможет создавать новые материалы для разработки микросхем. Благодаря этому компьютеры, смартфоны и другие устройства будут работать быстрее и дольше.
