Onderzoekers van Philips in Eindhoven hebben flinke vooruitgang geboekt bij de ontwikkeling van geheugen dat zijn inhoud ook zonder lading vasthoudt. Dergelijk niet-vervliegend (non-volatile) geheugen is tot op heden relatief duur en niet goed schaalbaar.
Philips heeft deze maand details vrijgegeven van zijn nano-elektronische geheugentechnologie, ‘line cell memory’ geheten. Het gebruik van nieuwe materialen heeft een doorbraak mogelijk gemaakt. Een dunne laag van antimony en tellurium wordt verhit middels elektriciteit om verschillen in de mate van reflectie van een gerichte laserstraal te creëeren. Die verschillen vormen de nullen en enen van de data.
Dit is tevens de basistechnologie voor herschrijfbare cd’s en dvd’s, waarbij de laser niet alleen dient voor het lezen, maar ook voor het beschrijven (verhitten). Deze opslagvorm heet ‘phase change’-geheugen naar de verandering in lichtdoorlating (fase). Voor verandering van het momenteel gebruikte materiaal is er relatief veel hitte – en daarmee energie – nodig. De benodigde hitte loopt op tot enkele honderden graden Celsius. Een bijkomend probleem is de noodzaak de hitte zeer nauwkeurig te richten; wijziging van een geheugencel of bit moet geen invloed hebben op de omliggende regionen en daarmee de data daarin.
Zuinig en snel
De nieuwe combinatie van antimony en tellurium is veelbelovend. Philips laat weten dat zijn 50 nanometer-prototype van fase kan veranderen door slechts 0,7 volt. Dat voltage is haalbaar voor toekomstige silliciumchips, die door hun kleinere omvang minder hoge voltages aankunnen en kunnen leveren. Hogere voltages betekenen namelijk meer hitte en mogelijk ook fouten. Het nu geproduceerde geheugenprototype is bovendien zeer snel in het omschakelen; de geheugencellen zijn in gemiddeld 30 nanoseconden van fase te veranderen.
Het prototype is volgens Philips honderd tot tweehonderd keer sneller dan flash-geheugen. Daarmee is het aantrekkelijk als vervanger voor dram-chips (dynamic random access memory) voor bepaalde toepassingen, aldus het onderzoekslab. Die snelheid dankt het nieuwe geheugen aan het feit dat fase-wijzigingen zijn door te voeren middels symmetrische pulsen.
Heilige Graal
Een bijkomend voordeel van ‘fase verandering’ is dat het geheugen zijn gegevens onthoudt. Regulier geheugen heeft daarvoor een elektrische lading nodig. Flash-geheugen kan zonder lading data behouden, maar is relatief langzaam en duur. Het nieuwe Philips-geheugen heeft juist stroom nodig voor veranderingen, niet voor het onthouden.
Daarnaast heeft het goede schaalbaarheidsmogelijkheden, ook naar kleinere maten. “In tegenstelling tot bestaande geheugentechnologieën, zoals flash, verbeteren de prestaties van dit geheugen op nagenoeg elk vlak naarmate je het kleiner maakt”, aldus de onderzoekstak van het elektronicaconcern. Dit is te danken aan het feit dat miniaturisatie van het geheugen ook het vereiste voltage verlaagt om te schakelen tussen de ene of de andere staat van het materiaal (nul of één).
“De Heilige Graal van de ingebedde geheugenindustrie is een ‘verenigd geheugen’ dat alle andere types geheugen vervangt en de snelheid van sram (static ram, red.) combineert met de dichtheid van dram en het niet-vervliegen van flash-ram”, stelt Karen Attenborough van Philips Research. Zij is projectleider van het Scalable Unified Memory-onderzoek. Diverse andere chipproducenten, waaronder Intel en Elpida Memory, onderzoeken al jaren technologieën voor een dergelijke chip.
Massagebruik onderzocht
Belangrijk voor de utopie van dat verenigde geheugen zijn de kosten; het is immers bedoeld voor massagebruik. Ook hier scoort Philips’ antimony/tellurium-combinatie goed: het is vrij goedkoop te produceren doordat het slechts één of twee aanvullende lagen vormt in het complexe lithografische proces van chipproductie.
De dunne antimony/tellurium-laag wordt gedrapeerd op een siliciumchip die de electriciteit levert om de fase te wijzigen en die wijzigingen weer in te lezen. De eventuele tweede laag omringt het ‘line cell’-geheugen. Hij bestaat uit een sillicium-dioxide met een relatief lage hittegeleiding. Dat moet beïnvloeding – en daarmee datacorruptie – voorkomen en geeft chipfabrikanten meer vrijheid in het te gebruiken materiaal voor de onderliggende chip.
Philips verwacht zijn geheugentechnologie tegen 2007 of 2008 gereed te hebben voor integratie in een chip. Die zal dan een transistorlijnmaat hebben van zo’n 50 nanometer. De huidige chips zitten op 90 nanometer. De overgang naar de volgende kleinere maat, 65 nanometer, start begin komend jaar of mogelijk al eind dit jaar.
De verwachting is dat chips met het gecombineerde materiaal in de loop van de komende twintig jaar op de markt verschijnen. Het is echter nog de vraag of het prijstechnisch aantrekkelijk is voor massaproductie. Philips onderzoekt dat en werkt aan de verdere verfijning van zijn technologie. Het concern is wereldwijd de op acht na grootste chipproducent en de op twee na grootste in Europa. De Philips-onderzoekers zetten hun vooruitgang uiteen in de april-editie van het natuurkundige vakblad Nature Materials.
