PRAM

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La memoria de cambio de fase (phase-change RAM, tambien llamada PRAM, PCRAM, PCM, Ovonic unified memory --memoria ovonica unificada-- y C-RAM, de calcogeno) es un tipo de memoria no volatil. Utiliza vidrio calcogeno (anfigeno) que puede configurarse en uno de dos estados, cristalino y amorfo por medio del uso de calor. Es parte de un grupo de nuevas tecnologias de memoria que buscan competir con la memoria Flash en el campo de las memorias no volatiles supliendo las carencias de esta.^[1]

Stanford Ovshinsky (Energy Conversion Devices) exploro las propiedades del vidrio calcogeno y su potencial de almacenamiento en los anos 60. En el numero de septiembre de 1970 de Electronics, Gordon Moore (cofundador de Intel) publico un articulo acerca de esta tecnologia, aunque la calidad de los materiales y los problemas de consumo evitaron su comercializacion. El interes ha resurgido recientemente con los problemas previsibles de escalado de las memorias Flash y DRAM.

Los dos estados del vidrio calcogeno poseen una resistividad extremadamente diferente, que conforma la base del almacenamiento de informacion. El estado amorfo posee una gran resistencia y se utiliza para representar el cero binario, mientras que el estado cristalino de baja resistencia representa al uno. El calcogeno es el mismo material que se utiliza en dispositivos opticos regrabables (como CD-RW y DVD-RW). En estos casos lo que se manipula son las propiedades opticas en lugar de la resistividad, ya que el indice de refraccion del calcogeno tambien varia segun el estado.

La PRAM aun no ha llegado a su etapa de comercializacion, aunque practicamente todos los prototipos utilizan una aleacion calcogena de germanio, antimonio y telurio (GeSbTe) denominada GST. Se calienta a temperaturas de 600 degC para licuar el calcogeno; tras su enfriamiento se congela adoptando un estado vitreo amorfico de alta resistencia electrica. Al calentarlo por encima de su punto de cristalizacion pero por debajo de su punto de fusion se transforma en un estado cristalino de resistencia mucho menor. Este proceso de cambio de fase puede completarse en cinco nanosegundos segun una solicitud de patente de enero de 2006 por parte de Samsung Electronics. Estos tiempos son comparables a los de memorias volatiles como la DRAM actual, con tiempos del orden de 2 ns.

Precisamente es este tiempo de cambio el que hace a la PRAM y otras propuestas semejantes un sustituto interesante de Flash. La sensibilidad a la temperatura de la PRAM es su mayor desventaja, y podria requerir cambios en los procesos de produccion de la misma.

La memoria Flash funciona modulando la carga electronica almacenada en la puerta de un transistor MOS. La puerta esta disenada para ser capaz de confinar carga electrica (bien en puerta flotante o en trampas de aislante). La presencia de carga en la puerta modifica el voltaje de umbral del transistor (${\displaystyle \,V_{th}}$) de forma que puede identificarse con un digito binario. El cambio de valor requiere el vaciado de la carga acumulada, lo que a su vez necesita que un voltaje relativamente elevado la atraiga desde la puerta. Este pico de carga requiere un cierto tiempo de preparacion. En general, el tiempo de escritura es del orden de un milisegundo para un bloque de datos, frente a unos 10 ns que son necesarios para la lectura de un byte.

La memoria PRAM ofrece un desempeno mucho mejor en aplicaciones en las que la escritura es importante, tanto por el menor tiempo de cambio del elemento como por el hecho de que los cambios pueden realizarse a nivel de bit sin afectar a un bloque entero de celdas. Su velocidad esta miles de veces por encima de las de los discos duros convencionales. Esto la hace especialmente util para cubrir almacenamiento no volatil que en la actualidad viene limitado por la velocidad de acceso a los datos.

Cada pico de voltaje en Flash degrada la celda de datos progresivamente de forma que la mayoria de dispositivos solo tienen una vida de entre 10000-100000 ciclos de escritura por sector, por lo que los controladores de Flash reparten la escritura entre los distintos bloques fisicos. Conforme las celdas se reducen en tamano por la tecnologia el problema se agrava ya que el voltaje necesario no escala con la litografia, lo que lleva a disminuir vida media esperada de los dispositivos. ^{[cita requerida]}

Las razones de la degradacion con el uso en PRAM son distintas que las de Flash, de forma que las primeras podrian llegar a los 100 millones de ciclos de escritura.^[2] Los limites para la PRAM tienen que ver con la degradacion debida a la expansion termica del GST durante la programacion, la migracion del metal y otros materiales y otros aspectos aun desconocidos.

Mientras que los chips Flash pueden programarse antes de formar parte de un circuito integrado (o incluso comprarse preprogramados), las altas temperaturas de soldado borrarian los contenidos de una PRAM, un aspecto que cobra aun mas importancia por los procesos de fabricacion sin plomo. Deberia por tanto poder programarse la PRAM despues de haberse soldado.

Las puertas especiales utilizadas en Flash tienen fugas de carga (electrones) que pueden provocar la perdida de datos en el tiempo. La resistividad de los elementos de memoria PCM la hacen mas estable y la capacitan para contener informacion durante periodos de hasta una decada, incluso en temperaturas elevadas^[2] (el caso peor). La PRAM tambien resiste mejor la perdida provocada por radiacion, lo que la hace mas viable para usos militares y aeroespaciales. BAE Systems la ha utilizado como C-RAM anunciando ciclos de escritura de 10⁸, lo que podria convertirna en competidora de PROM y EEPROM en este campo.

Por el momento, las PRAM fabricadas almacenan un bit por celda (las Flash pueden modular la carga almacenada en una celda para almacenar varios bits, tipicamente dos).

Pueden utilizarse varios elementos diferentes para seleccionar celdas en una PRAM: diodos, BJT y MOSFET entre otros. El diodo proporciona la mayor corriente de todos estos, aunque existe el problema de la induccion de corrientes parasitas en celdas colindantes, asi como mayores necesidades energeticas. La resistencia del calcogeno ha de ser necesariamente mayor que la del diodo, por lo que el voltaje operativo debe estar bastante por encima de 1 V. Posiblemente el mayor inconveniente en arrays grandes de diodos es la corriente de fuga inversa producida por las lineas de bit no seleccionadas. Por el contrario, si se utilizan transistores, solo las lineas seleccionadas contribuyen a esta corriente, de forma que la diferencia total es de varios ordenes de magnitud. El escalado por debajo de los 40 ns plantea el problema del dopaje discreto por la disminucion en la anchura de la union P-N.

Nanochip licencio tecnologia basada en PRAM para su uso en MEMS en agosto de 2004. Estos no son dispositivos de estado solido; en su lugar, se utiliza un pequeno plato recubierto con calcogeno que puede utilizarse por medio de muchas sondas electricas (miles o incluso millones) para su lectura y escritura. La tecnologia micro-mover de HP puede realizar posicionamiento con una precision de 3 nm logrando densidades de mas de un terabit por pulgada cuadrada si se perfecciona la tecnologia. La idea es reducir el cableado necesario en el propio chip, juntando las celdas y evitando el cableado individual al hacer que las sondas actuen como cables.

En septiembre de 2006 Samsung anuncio un dispositivo de 256 Mb que utilizaba diodos.^[3] Particularmente resenable fue la densidad de almacenamiento conseguida: a pesar de la capacidad relativamente reducida comparada con la de otros competidores, su densidad era mucho mayor a la tipica. Este hecho sugiere que pueda competir en el mercado con Flash en lugar de limitarse a usos muy especializado. Esto es particularmente cierto en el caso de la memoria Flash basada en NOR, que permite direccionamiento a nivel de bit (frente al acceso en bloques de bytes en NAND). NOR parece tener una densidad comparable a la de PRAM.

El prototipo presenta un nucleo de 46,7 nm, que es mejor que cualquiera de las Flash RAM en el mercado^{[cita requerida]}. Aunque Flash RAM ya tiene tiempo en el mercado y una mayor capacidad (con modulos de 8 Gb saliendo al mercado), se preve que PRAM sera un verdadero competidor en este sentido ya que tiene una densidad mucho mayor y en un futuro se esperan capacidades enormes.

En el Inter Developer Forum de 2006 se realizaron demostraciones de sus respectivos dispositivos por parte de Intel y STMicroelectronics^[4] con una capacidad de 128 Mb, que aunque en fase de prueba de concepto se indico podrian pasar a pruebas en cuestion de meses y pasar a su comercializacion en pocos anos. Intel ya es el principal productor de memorias Flash NOR y parece tener los mismos planes que Samsung para PCM.

La memoria de cambio de fase es susceptible a un compromiso basico entre cambios de fase intencionados y no intencionados: esto es asi porque dicho cambio es un proceso termico mas que electronico; por tanto, las condiciones de cristalizacion rapida no pueden ser las mismas que las de almacenamiento (temperatura ambiente tipicamente), ya que en otro caso la permanencia de los datos no puede garantizarse. No obstante, una temperatura de cristalizacion mayor conlleva una mayor corriente y menos escalabilidad.

• Septiembre de 1966: Stanford Ovshinsky realiza la primera peticion de patente sobre cambio de fase.
• Junio de 1969: Ovshinsky obtiene la US Patent 3,448,302 con la primera operacion fiable anunciada.
• Septiembre de 1970: Gordon Moore publica un articulo en Electronics Magazine.
• Junio de 1999: Se forma Ovonyx para la comercializacion de la tecnologia.
• Noviembre de 1999: Lockheed Martin trabaja con Ovonyx para la aplicacion a la industria aeroespacial.
• Febrero de 2000: Intel licencia la tecnologia e invierte en Ovonyx.
• Diciembre de 2000: ST Microelectronics licencia la tecnologia.
• Marzo de 2002: Macronix realiza una solicitud de patente sobre PRAM sin transistores.
• Julio de 2003: Samsung inicia su trabajo con PRAM.
• 2003-2005: Solicitides de patentes por Toshiba, Hitachi, Macronix, Renesas, Elpida, Sony, Matsushita, Mitsubishi, Infineon y otros.
• Agosto de 2004: Nanochip licencia la tecnologia de Ovonyx para su uso en MEMS. Samsung anuncia un array operativo de 64 Mb.
• Febrero de 2005: Elpida licencia la tecnologia de Ovonyx.
• Septiembre de 2005: Samsung anuncia un dispositivo operativo de 256 Mb junto con corrientes de programacion de 400uA.
• Octubre de 2005: Intel aumenta su inversion en Ovonyx.
• Diciembre de 2005: Hitachi y Renesas anuncian PRAM a 1,5 B con programacion a 100uA. Samsung licencia la tecnologia de Ovonyx.
• Julio de 2006: BAE Systems (antes Lockheed Martin) presenta un chip resistente a radiacion de 512Kx8.
• Septiembre de 2006: Samsung anuncia un dispositivo de 512 Mb.
• Octubre de 2006: Intel y STMicroelectronics demuestran el funcionamiento de un chip de 128 Mb.
• Diciembre de 2006: IBM Research Labs presenta un prototipo de 3x20 nm.^[5]
• Enero de 2007: Qimonda licencia la tecnologia deOvonyx.
• Abril de 2007: Justin Rattner, CTO de Intel, realiza la primera muestra publica de la tecnologia PRAM de su compania.^[6]
• Julio de 2012: Micron anuncia la comercializacion de la primera memoria de cambio de fase en dispositivos moviles.^[7]

• Ovonyx, Inc.
• Energy Conversion Devices, Inc.
• Hitachi/Renesas Low-Power PRAM
• Hewlett-Packard Probe Storage
• Nanochip
• Samsung 512Mbit PRAM prototype
• BAE C-RAM Radiation-Hardened NVM press release
• BAE C-RAM Radiation-Hardened NVM data sheet

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