Siliciumgeheugen maakt kleiner productieprocedé eenvoudig

De volgende stap naar nog kleinere productieprocedés zou dankzij siliciumgeheugen vrij eenvoudig zijn. Onderzoekers hebben eenvoudige geheugencellen ontwikkeld, die slechts bestaan uit silicium en aansluitingen.

Het nieuwe type geheugen werd ontwikkeld na observaties van dunne stroken grafiet, van ongeveer tien nanometer breed. Onder invloed van een stroompuls kon de strook worden gebroken en weer verbonden, wat het equivalent van een geheugenbit vormde. Nader onderzoek wees echter uit dat dit effect niet afhankelijk is van grafiet; ook silicium vertoont dit fenomeen. Aangezien silicium het hoofdbestanddeel van vrijwel alle processors is en goed in halfgeleiderproducten kan worden verwerkt, zou het siliciumgeheugen snel in productieprocessen kunnen worden geïntegreerd.

Het siliciumgeheugen werkt door een laagje siliciumoxide, een elektrische isolator, tussen twee lagen geleidend polykristallijn silicium te klemmen. Bij het aanbrengen van een stroom worden oxide-atomen van het silicium gestript, wat zorgt voor de vorming van geleidende siliciumkristallen. Eenmaal gevormd kunnen deze kristalsporen, net als het grafiet eerder, steeds opnieuw worden verbonden en verbroken. De lagen 'poly' dienen hierbij als elektrodes. Flashgeheugen is complexer en heeft drie elektrodes nodig.

De zo gevormde geheugenbits kunnen bijzonder eenvoudig worden geproduceerd en gezien hun samenstelling laten zij zich eenvoudig in bijvoorbeeld processors verwerken. Bovendien zijn de structuren zeer klein. De kristaldraden zijn tussen de vijf en tien nanometer groot, veel kleiner dan de featuresize waaraan de huidige geheugenproductietechnieken met hun 20 tot 30nm toe zijn. De siliciumoxide-geheugenbits zijn tevens in driedimensionale structuren te stapelen en schakelen in minder dan 100ns. De onderzoekers van de Rice-universiteit werken samen met verschillende bedrijven en hebben al een werkende prototype-geheugenchip met duizend elementen. Deze wordt nu getest.

Reacties (43)

[Verwijderd]

Je kan toch ook nano koolstofbuisjes gebruiken? Die doen het beter dan grafiet of silicum, maar die zijn weer moeilijk te maken. Maar toch: een koolstof nanobuis tussen twee elektroden die op en neer vibreert als er elektronen door stromen. En als de elektronen de tegengestelde pool halen, is het een 1. Als ze er langs gaan ( onderbroken stroomkring) is het een 0. Ik weet zeker dat het met koolstofbuisjes beter werkt.

[Sten Vollebregt]

Hoe zie je dat echt voor je? Een koolstof nanotube (CNT) vibreert niet als er elektronen doorheen stromen, of de vibraties zijn zo klein dat ze niet merkbaar zijn. Hetzelfde effect genereren als beschreven met een CNT is een stuk moeilijker, aangezien CNTs een stroomdichtheid van een factor 1000 groter aankunnen zonder kapot te gaan. Kan je beter het zwakkere grafiet, silicium of een metaal gebruiken.

Je kan wel een transistor maken van een CNT, maar dat is nog verdomt lastig en brengt allemaal problemen met zicht mee. Een kleine greep hieruit:
- Plaatsing
- Selectie tussen halfgeleider en metallische tubes
- Contactweerstand tussen electroden
- Hoge productietemperatuur

Je kan ook een relais maken van een bundel CNTs, maar dan heb je toch echt een 3e electrode nodig. De huidige grootte van dit soort CNT relais is ook nog vele malen groter (micrometers) dan huidige geheugencellen of het geheugen wat hierboven beschreven wordt.

[elleP]

Met germanium of galliumarsenide zijn ook veel betere transistoren te maken dan met silicium.
Silicium is alleen veel makkelijker in een productieproces te gebruiken, en het is ook nog eens heel goed beschikbaar als grondstof.
Daarom is deze ontwikkeling veel interessanter op de korte termijn, om dat alle productieprocessen en grondstoffen op industriële schaal beschikbaar zijn, itt bv nanobuisjes.

[_Pussycat_]

Je kan toch ook nano koolstofbuisjes gebruiken? Die doen het beter dan grafiet of silicium. Ik weet zeker dat het met koolstofbuisjes beter werkt.

Toch fijn dat er hier altijd zoveel geniale wetenschappers bijeen zijn die alle problemen wel eventjes op kunnen lossen....

(ook een mooie opmerking boven: "De wear van dit soort geheugen ligt veel lager dan flash, dus zou zonder CRC of EC gebruikt kunnen worden.")

[HMS]

Ik hoop dat eenvoudiger ook betekend goedkoper, dan kan de prijs van SSD's helemaal naar beneden.

[DRaakje]

Volgens mij is dit er niet geschikt voor aangezien er stroom op moet blijven staan omzijn data te behouden!

[Verwijderd]

In het bronartikel staat:

Mortland said. "That's where most of the paying customers see this going. I think, along the way, there will be side applications in various nonvolatile configurations."

Nonvolatile wil volgens mij zeggen dat de data behouden blijft ook wanneer de stroom eraf gezet wordt?

[Tassadar32]

Correct. Is dus een goede flash vervanger

[antiekeradio]

fout. side applications is niet het mainstream doel van een ontwikkeling, en het moet dus nog helemaal blijken of het uberhaupt geschikt is als flash vervanger.

het kan ook zomaar zijn dat het in non-volatile ontwerp alleen als ROM geheugen inzetbaar is, bijvoorbeeld. dus non-volatile is niet automatisch Flashgeheugen.

[robvanwijk]

quote: http://www.sciencedaily.c.../2010/08/100831121430.htm

the physical process doesn't require the device to hold a charge

Overigens, de quote van TRRoads is niet helemaal volledig, dit is de context:

quote: http://www.sciencedaily.c.../2010/08/100831121430.htm

"Our original customer funding was geared toward more high-density memories," Mortland said. "That's where most of the paying customers see this going. I think, along the way, there will be side applications in various nonvolatile configurations."

Verder denk ik dat je het moet lezen als "applications in various nonvolatile configurations", dus meerdere toepassingen, maar alleen / allemaal nonvolatile.

quote: http://www.sciencedaily.c.../2010/08/100831121430.htm

Silicon-oxide circuits carry all the benefits of the previously reported graphite device. They feature high on-off ratios, excellent endurance and fast switching (below 100 nanoseconds).

1 / ( 100 ns ) = 10 MHz. Dit gaat dus geen flipflops vervangen, maar FlashROM kan wel inpakken. Net zo belangrijk, als dit zijn beloftes waar kan maken dan kunnen we het afscheidsfeestje voor de HDD (de versie met ronddraaiende platters) ook al plannen.

[_Pussycat_]

"Various nonvolatile" slaat erop dat er vele varianten en toepassingen van nietvluchtig geheugen zijn: OTP, PROM, EEPROM, Flash (SLC en MLC) en Antifuses bijvoorbeeld. Daarbij zijn er ook nog verschillende eisen aan vermogensopname, spanning, aantal schrijftoegangen, uitleesmethode- en stroomverbruik, temperatuurbereik, houdbaarheid....

Voor een aantal van deze gebieden ziet de onderzoeker dus mogelijkheden. Als hij 'along the way' ook een paar 'side applications' ziet voor NVM, ziet hij dus in ieder geval geen vervanger van flash. Een flash-killer (nee niet Apple:) ) zou zeker een hoofddoel van de ontwikkeling zijn, als er kans op succes is.

[postbus51]

Bij het aanbrengen van een stroom worden oxide-atomen van het silicium gestript, wat zorgt voor de vorming van geleidende siliciumkristallen. ***Eenmaal gevormd*** kunnen deze kristalsporen, net als het grafiet eerder, steeds opnieuw worden verbonden en verbroken.

***Eenmaal gevormd***

[Verwijderd]

De technologie is gebaseerd op het idee dat het niet-geleidende silicium dioxide met een elektrische impuls kan worden omgezet in de wel-geleidende metalische vorm. Op zich moet er dus maar één keer stroom worden aangeleverd om te switchen, en het metaal is onder normale condities niet reactief genoeg om uit zichzelf weer terug naar zijn geoxideerde staat te gaan. Ik ben geen expert op het gebied van halfgeleiders, maar volgens mij is het dus prima geschikt voor langdurige opslag.

Het zal met een cycle time van 100 ns (vergeleken met de 5-10 ns van DDR3 geheugen), juist maar de vraag zijn of het ook als RAM kan worden gebruikt.

[Verwijderd]

het is voor dataopslag dan messchien niet bruikbaar maar het kan wel gebruikt worden om processors te verbeteren.

[Niekk]

Waar lees je dit?
Ik zie in het artikel niet staat dat als de spanning van de silicium af is, dat het dan magisch weer aan elkaar plakt?

[sfranken]

Misschien als RAM geheugen?

[djexplo]

schakelen in minder dan 100ns

Oftewel zit al erg dicht tegen normaal geheugen aan. Als voorbeeld, DDR-333 heeft schakeltijden tussen de 18 en 42ns.

Maar de grote vraag is natuurlijk hoevaak er geschreven kan worden voor dat de 1e cel kapot gaat:
- Als dit een paar biljard keer is kan je het bruikbaar voor normaal geheugen
- Als dit een paar miljoen keer is kan je met behulp van wat CRC codes het gebruiken voor SSD's
- Als dit een 100tal is kan je het gebruiken als flash kaartje voor audio/video.
- Als dit een 10tal is kan je het gebruiken voor FPGA achtige chips.

[Tassadar32]

De wear van dit soort geheugen ligt veel lager dan flash, dus zou zonder CRC of EC gebruikt kunnen worden.

[Verwijderd]

Waar baseer je dat op? Als je gelijk hebt, zou dit zeer interessant zijn; performance degradation door onder andere kapot gaande cellen is nog steeds een probleem in flash geheugen; TRIM of niet.

[Verwijderd]

Ligt het aan mij of is 100ns best wel traag? Modern geheugen heeft een schakeltijd van enkele nanoseconden als ik me niet vergis.

[Tassadar32]

Het is ook eerder een vervanging van flash dan RAM. Echter hoopt men dit nog te verbeteren. Men droomt over een toekomst waar al het geheugen nonvolatile is

[Verwijderd]

Ik weet niet hoor, maar ik zou echt niet willen dat de gegevens in mijn RAM ook blijven bestaan als ik mijn computer afzet. Vroeger had je ook RAM geheugen dat nog heel lang (lees: minuten tot uren) zijn status behield. Daardoor was het voor kwaadwillenden heel gemakkelijk om bijvoorbeeld wachtwoorden die onversleuteld in het geheugen achterbleven uit te lezen.

Natuurlijk is het wel super handig voor het instant uit sleep ontwaken, maar dan wil ik wel de zekerheid dat alles versleuteld weggeschreven wordt...

[hollandismad]

Het is een software-probleem, geen hardware probleem. Er is dus geen rede om niet naar niet-volatiel RAM geheugen te streven.

[postbus51]

ff 220 erop en weg

maar wat minder stroom en de 1=aan waarde valt om naar nul=geen connectie kristal

een soort van degaussing voor memory

[Reactie gewijzigd door postbus51 op 1 augustus 2024 02:07]

[robvanwijk]

Ik weet niet hoor, maar ik zou echt niet willen dat de gegevens in mijn RAM ook blijven bestaan als ik mijn computer afzet.

Nou, dan laat je het OS je RAM toch lekker zero-fillen bij het afsluiten? Dat wordt soms ook gedaan bij de pagefile, om precies dezelfde reden.

Het punt is dat de harde regel "stroom weg = data weg" niet meer geldt. Zolang er een andere manier is om voor "data weg" te zorgen (zoals overschrijven) dan ben je dus een nadeel kwijt, zonder voordelen kwijt te raken. Dat is dus een verbetering, punt uit.

Met support van je OS is het ook redelijk eenvoudig om je RAM (en pagefile) te encrypten tijdens het in-hibernate-gaan. Dat kost natuurlijk wel extra tijd, maar lijkt me practischer dan altijd je RAM encrypted te hebben.

[latka]

En cache heeft een nog kortere schakeltijd. Ik zie het wel zitten hoor: 64Kb L1, 512Kb L2, 4Mb L3 cache in je CPU, dan 4Gb DDR DIMMs als cache voor een 256Gb grote slab geheugen van dit type (en dan een 2Tb HD als swap ;-)

Er zijn zoveel soorten geheugen en snelheden dat die 100ns echt geen probleem is.

[naarden 4ever]

100ns klinkt geweldig. Stel je eens een HD voor met 100ns toegangstijd. De 100ns norm wordt vaak nog niet gehaald. Ook ram haalt dit niet altijd. 100ns klinkt geweldig in mijn oren.

[johnkeates]

Interessante ontwikkeling. Het valt me op dat dingen steeds voor de hand liggender of eenvoudiger lijken te worden (wel ingewikkelder op hoger niveau). Het is haast een 'matje' elektrodes die geheugen vormen zoals dat in de PROMs ging, maar dan zonder smelten.

[LcNessie]

Met steeds verdere miniaturisering heb je natuurlijk ook steeds minder ruimte om rare fratsen of slimmigheidjes toe te passen. Je komt hier langzaamaan in het gebied waar je de Newtoniaanse natuurkunde moet laten varen, om gebruik te gaan maken van de quirks van de quarks...

[alaintje]

Dadelijk wordt het cache geheugen 512MB groot i.p.v. 512kb.
Kan der een heel level van een spel in de cache geladen worden .
Elke dag een nieuwe inovatie op flash, gaat goed zo te zien!

[jj71]

Cache geheugen in een CPU is géén flashgeheugen. Dit nieuwe soort geheugen is ook veel te langzaam om als cache te dienen, met een schakeltijd van 100 ns zoals hierboven wordt genoemd (vergelijk dat met enkele ns voor de schakeltijd van gewoon dynamisch RAM).

[MSalters]

En bedenk dan ook nog eens dat gewoon DRAM te langzaam is voor cache; daarvoor wordt SRAM gebruikt. Dat zit meer in de buurt van 100 ps.

[koraks243]

De kristaldraden zijn tussen de vijf en tien nanometer groot, veel kleiner dan de featuresize waaraan de huidige geheugenproductietechnieken met hun 20 tot 30nm toe zijn.

Dan heb je nog steeds een procedé nodig dat op 5 à 10nm kan afbeelden, en op dit moment is dat nog niet voorhanden. D.w.z., er zijn wel manieren voor, maar die zijn niet rendabel voor de grote volumes die je nodig hebt voor geheugen.

[robvanwijk]

Als ik het artikel lees dan krijg ik het idee dat ze vooral willen laten zien "met zulke kleine feature sizes werkt onze techniek nog". Er staat nergens expliciet dat het alleen bij zulke kleine afmetingen werkt. Anderzijds staat er inderdaad ook nergens dat het op, bijvoorbeeld, 32 nm ook werkt.
Maar goed, de waferscanners worden ook steeds nauwkeuriger (en in geval van nood kan de trucendoos open en ga je voor de double patterning), dus als dat het enige probleem is, dan gaat siliciumgeheugen een mooie toekomst tegemoet.

[R3P4]

Wat ik uit het orginele artikel kan halen, is dat het een hele vooruitgang is qua productie en kosten, tevens zijn ze beter bestand tegen straling en hoeven ze niet onder spanning te staan om te funktioneren.

[dbm_]

Netjes kom maar op met de goedkope ssd's

[Verwijderd]

Geniaal! Dit lijkt wel verdacht veel op het ringkern geheugen van decennia geleden

[robvanwijk]

Ook al wordt je omlaag gemod, daar heb je wel helemaal gelijk in.

Lees maar eens hoe magnetic core memory werkt; daar zitten zeer veel overeenkomsten tussen. En ja, dat is relevant, want als je dat weet kun je er gebruik van maken! Op het moment dat je geheugen een vervelende eigenschap heeft kijk je eerst of dat probleem indertijd al een keer opgelost is. Zo ja: gewoon overnemen met een beetje geluk is het patent verlopen..., da's veel handiger dan zelf je hoofd erover te breken.

@MSalters:
Een chemische reactie is natuurlijk iets anders dan hysterese; anders zou het niet op elkaar lijken maar identiek zijn.
Ik doelde niet zozeer op de matrixvorm, maar op de matrixvorm met alleen maar adreslijnen, zonder andere lijnen / structuren ertussen. De data wordt echt op één plaats opgeslagen (hetzij magneetveld, hetzij chemische toestand), zonder hulpstructuren eromheen (zoals je die bij Flash bijvoorbeeld wel hebt).
Ook de (als ik het artikel goed gelezen en begrepen heb) manier van schrijven vertoond overeenkomsten: je zet een spanning op een rij en op een kolom (-x Volt op de rij en +x Volt op de kolom bijvoorbeeld, met 0 V op alle andere rijen en kolommen). Over het bit dat je wilt schrijven komt 2x Volt te staan en die schrijf je, de andere cellen in die rij en kolom zien maar x Volt en worden dus niet beschreven; dat doet mij aan half-select denken...
En inderdaad, je bent van de sense/inhibit lijn af. Dat is, als ik het goed zie, een direct gevolg van het feit dat lezen niet destructief is. Ook hier wijkt het dus af van core memory. Zowel ik als RoadRunner84 hebben nooit gezegd dat het identiek is, alleen dat beide technieken veel op elkaar lijken.

[Reactie gewijzigd door robvanwijk op 1 augustus 2024 02:07]

[MSalters]

Hoe is is een oxidatie/reductie reactie te vergelijken met magnetische hysterese? En het gebruik van X,Y, Sense en Inhibit lijnen zie ik hier ook niet terug. Of bedoel je de matrixvorm van dit geheugen, net zoalsongeveer elk elektrisch geheugen van de laatste decennia ? Echt, het verband ontgaat me totaal.

[Dark]

wellicht is dit de goedkope variant geheugen die harddisks voor massa opslag doet vergeten, zodat je bijvoorbeeld gebruik kan maken van een kleinere maar zeer snelle ssd, en een grote, goedkope maar wat tragere opstelling als massaopslag, waar je geen 50k iops en 250mb/sec writes nodig hebt...

[0rbit]

Ach ook daar valt veel te optimaliseren. Als je een 10x10 array van cellen hebt kun je in ieder geval alle bits die diagonaal ten opzichte van elkaar liggen paralel uitlezen; dan zit je dus per bit al aan de 10ns. Stapel dat soort cellen en je kunt nog weer sneller uitlezen. Etc. De controller logica is in het prototype gewoon alleen geschikt om te lezen en schrijven; proof of concept. Meer is niet nodig.

[MSalters]

Met dat soort logica kunnen 9 vrouwen in 1 maand een baby baren. Een 10x10 array van cellen kan 100 keer schakelen in 100 ns, ja, maar dat kun je niet zomaar delen.

Ook je idee dat je diagonaal bits kunt uitlezen klopt niet. Als je probeert tegelijk XY=(1,1) en XY=(2,2) uit te lezen, dan lees je ook XY=(1,2) en XY=(2,1) uit. Vergeet niet dat zelfs het uilezen van een enkel bit al verstoring van de omgeving oplevert. De X=1 lijn en de Y=1 lijn zijn verbonden door de (1,1) bit, maar ook door de drie bits (1,2), (2,2) en (2,1). En de (1,3), (3,3), en (3,1) bits. Of (1,2), (3,2) en (3,1) - kortom, er zijn een heleboel indirecte verbindingen tussen de X=1 en Y=1 lijnen.

[Verwijderd]

Ik heb geen verstand van nano-zaken, maar.... ik stel me beschikbaar om 9 vrouwen te bevruchten. We zullen nog wel zien welke logica klopt!