Dispositivia cambiamentodi fase per applicazioniallememorie a statosolido

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1 Dispositivia cambiamentodi fase per applicazioniallememorie a statosolido Massimo Rudan Dipartimento di Ingegneria dell'energia elettrica e dell'informazione "Guglielmo Marconi" DEI Centro di Ricerca sui Sistemi Elettronici per l'ingegneria dell'informazione e delle Telecomunicazioni "Ercole De Castro" ARCES Università di Bologna University of Bologna

2 Prestazioni di CPU e Hard Drive 200 Media Access Time for 20K Read Normalized Performance 50 Multicore CPU CPU Disk CPU / Hard Disk 175x / 1.3x in 13 years M. Rudan 07/06/2019 2

3 Memorie per applicazioni ai computer CPU with Embedded Memory (SRAM cache) Main Memory DIMMS on MB (DRAM) Storage Hard Disk Drive (HDD) Latency = 1x Latency ~= 100,000x $$/bit = 1x $$/bit ~= 0.01x M. Rudan 07/06/2019 3

4 Memorie per applicazioni ai computer CPU with Embedded Memory (SRAM cache) Main Memory DIMMS on MB (DRAM) NVM Storage Solid State Disk (Managed NAND) Storage Hard Disk Drive (HDD) Latency = 1x Latency ~= 1000x Latency ~= 100,000x $$/bit = 1x $$/bit ~= 0.1x $$/bit ~= 0.01x M. Rudan 07/06/2019 4

5 Architettura «cross-point» True Cross Point Array Cell dimension: 4 l 2 Stackable Low temperature process CMOS under the memory Compatible with mainstream backend process Easily scalable Bitline Wordlines M. Rudan 07/06/2019 5

6 Possibili tipi di elementi di memoria Family Example Mechanism Selector Phase Change Magnetic Tunnel Junction Chalcogenide alloys e.g.: GST 225 Spin Torque Transfer RAM Energy (heat) converts material between crystalline (low resistance) and amorphous (high resistance) phases Switching of magnetic resistive layer by spin-polarized electrons Unipolar Bipolar Electrochemical e.g.: CuSiO2 Formation / dissolution of nanobridge by electrochemistry Bipolar Binary Oxide (filaments) e.g.:nio Reversible filament formation by Oxidation-Reduction Unipolar Interfacial Resistance Memristors e.g. Doped STO, PCMO Oxygen vacancy drift diffusion induced barrier modulation Bipolar M. Rudan 07/06/2019 6

7 Materiali cristallini o amorfi Molti materiali solidi possono esistere in diverse configurazioni(fasi); in particolare, Cristallina Amorfa Alcuni di essi sono isolanti (ad esempio, ossido di silicio), altri sono conduttori (ad esempio, silicio, leghe di tipo calcogenuro, altri). M. Rudan 07/06/2019 7

8 Calcogenuri È intuitivo che, se le conducibilità delle due fasi di un materiale conduttivo sono abbastanza diverse, le due fasi possono essere sfruttate per immagazzinare un informazione logica(«stato 1» oppure«stato 0»). Requisiti minimi: Deve essere possibile «indurre» il materiale a passare, a comando, dallo stato cristallino a quello amorfo, o viceversa. Il passaggio fra i due stati deve essere ripetibile molte volte senza danneggiare il materiale. Alcuni calcogenuri hanno queste proprietà; ad es., GST-225. M. Rudan 07/06/2019 8

9 Calcogenuro GST-225 (Ge 2 Sb 2 Te 5 ) Il materiale è noto fin dagli anni 60. Infatti, i CD e i DVD sono fatti di GST-225 o simili. Si chiamano materiali «Ovonici» dal nome dello scienziato che per primo ne ha studiato le proprietà [Ovshinsky, PRL 21(1968)]. Nei CD e DVD si sfrutta la diversa riflettività delle due fasi, cioè si sfrutta una proprietà ottica. Soloneglianni2000sièpensatodisfruttareladifferenza di una proprietà elettrica, cioè la conducibilità, per fabbricare memorie. M. Rudan 07/06/2019 9

10 Calcogenuro GST-225 (Ge 2 Sb 2 Te 5 ) La caratteristica I-V della fase amorfa presenta un tratto a resistenza differenziale negativa, interessante e utile ai fini sperimentali (caratterizzazione), ma anche pericoloso per il funzionamento M. Rudan 07/06/

11 Come si induce il cambiamento di fase? Ci sono due temperature notevoli,t g et m. SeT<T g, nulla accade. SeT>T m, il materiale fonde. Se T g < T < T m, il materiale è in uno stato metastabile, qualitativamente simile al quello del vapore d acqua super-saturo. Il materiale viene scaldato con un impulso di corrente, portandolo a T g < T < T m, poi lo si lascia raffreddare rimuovendo la corrente. Se il raffreddamento è lento (veloce), la fase finale è cristallina (amorfa). Il duty cycle è migliore di quello delle comuni memorie flash. 07/06/2019 La scalabilità è ottima. M. Rudan 11

12 Cronistoria Normalized Cell Current SET V Read RESET [V/Vt SET ] Idea presentata da Intel nel 2009 Lanciato un progetto congiunto Intel-Micron Prodotto annunciato nel 2015 Disponibile in commercio dal 2017 M. Rudan 07/06/

13 Come si fa una memoria con due soli contatti? In altri termini, dove sta il gate di controllo?... Bitline Chi dice a questo bit che deve cambiare stato? Apparentemente con due soli elettrodi posso solo leggere quello che c è L idea vincente: ne metto due in serie; uno (OTS) resta sempre amorfo, l altro (PCM) può cambiare stato. OTS = Ovonic Threshold Switch PCM = Phase Change Memory M. Rudan 07/06/

14 Cambia fase solo uno dei due elementi della serie V V T V I V I 1 V T V H I 2 am I I 1 I 2 V V H V T V H am M. Rudan 07/06/ cr I I

15 le caratteristiche I-V dei due casi sono diverse V V A V + ( / ) 2V T am am am cr 2V H 2V H I 1 I I 1 I 2 I 2 I M. Rudan 07/06/

16 Architettura c.-p. con selettori a due terminali Selected Cell: V Unselected Cells = V/2 or zero Unipolar operation possible (V/2 offset) V/2 0 Select Device Resistive Memory -V/2 0 M. Rudan 07/06/

17 Perché esiste il ramo a pendenza negativa? In fondo, si ha a che fare con oggetti: Uniformi come struttura e composizione. Essenzialmente monodimensionali. Uniformi come temperatura. In realtà, nella fase amorfa gli elettroni che portano la corrente possono appartenere a due distinte fasce di energia: Gli elettroni a bassa energia hanno mobilità piccola. Gli elettroni ad alta energia hanno mobilità grande. M. Rudan 07/06/

18 Descrizione termodinamica (amorfo) P = VI ph L n e e n T ph L energia fornita dal generatore produce corrente di elettroni sia a bassa che ad alta energia, e innesca transizioni da bassa ad alta energia. Dal punto di vista elettrico è come avere due canali in parallelo che si scambiano 07/06/2019 elettroni. M. Rudan 18

19 Descrizione elettrica: I I grande V Always low conductance Always saturated conductance If I K = I I is large, thev(i) curve is not N- shaped. I I I M. Rudan 07/06/

20 Descrizione elettrica: I I piccolo V Always low conductance Always saturated conductance I I IfI K =I I is small, the V(I) curve is N-shaped hence the I(V) curve is S-shaped. I M. Rudan 07/06/

21 Grazie dell attenzione M. Rudan 07/06/