Phase-change memory: sucessora da memória Flash?

Publicado em 12/11/2009 – 19:13
por Carlos Morimoto

Embora a densidade da memória Flash tenha crescido acima do esperado nos últimos anos, levando a uma rápida queda no preço por megabyte, o futuro da memória Flash está ameaçado pelo mesmo problema que ameaça a evolução dos processadores: os limites físicos para a miniaturização das células.

Cada célula de memória Flash funciona como uma pequena prisão de elétrons. Elas são bastante similares a um transístor MOSFET, construídas sobre um wafer de silício (o substrato). A grande diferença é que a célula utiliza dois gates em vez de um. O primeiro é o "control gate", que é usado para ativar a célula e fazer a leitura dos dados armazenados.

Os dados propriamente ditos são armazenados no segundo, o "floating gate", que é precisamente construído entre duas camadas de óxido de silício (oxide layer). O termo "floating" indica justamente o fato de ele ser posicionado entre as duas camadas, sem contato direto com os outros componentes da célula:

As camadas de dióxido de silício armazenam cargas negativas, o que cria uma espécie de armadilha de elétrons, que impede a saída de qualquer carga armazenada no floating gate, um arranjo que permite manter os dados por longos períodos de tempo, sem que seja necessário manter a alimentação elétrica (como nas memórias SRAM), ou muito menos fazer um refresh periódico (como na memória DRAM). Isso simplifica muito o design dos cartões, pendrives e outros dispositivos, pois eles precisam incluir apenas os chips de memória Flash, um chip controlador e as trilhas necessárias, sem necessidade de baterias ou de circuitos de refresh.

Os dados são gravados na célula através de um processo de programação, que consiste em ativar o transístor (a corrente flui do emissor para o coletor) e, simultaneamente, aplicar uma tensão mais alta (12 volts ou mais) no control gate. A alta tensão faz com que alguns dos elétrons sejam "sugados" para dentro do floating gate, onde ficam presos devido às duas camadas de óxido de silício.

Para modificar os dados gravados é necessário primeiro limpar o conteúdo das células, o que é feito aplicando uma tensão diferencial entre o emissor e o control gate. Isso remove qualquer carga armazenada no floating gate, fazendo com que a célula retorne ao estado original e possa ser programada novamente.

O grande problema é que conforme as células se tornam cada vez menores, o número de elétrons armazenados no floating gate se torna menor, tornando mais difícil para o controlador discernir entre um bit "1" e um bit "0". O problema é maior nos chips MLC, onde as células trabalham com quatro ou mais possibilidades.

Os mais pessimistas afirmam que os 20 nm serão o limite final para a memória Flash, apenas duas gerações à frente dos chips atuais, que são são produzidos em 34 nm. A partir daí, os cartões e SSDs ainda poderiam atingir capacidades maiores através do uso de chips com mais camadas, ou através do uso de mais chips, mas o preço por gigabyte deixaria de cair, comprometendo a adoção dos SSDs e retardando o progresso da tecnologia em diversas áreas.

A principal candidata à sucessora da memória Flash é a PCM (Phase-change memory), um tipo de memória não volátil baseada no uso de vidro calcogeneto (chalcogenide glass) para o armazenamento de dados. O vidro calcogeneto é uma estrutura cristalina (não necessariamente de sílica) que inclui elementos do grupo 16 da tabela periódica, como o selênio, enxofre, telúrio ou antimônio.

O armazenamento de dados é possível graças à uma peculiaridade do material: de acordo com a temperatura, ele pode assumir uma estrutura cristalina ou amorfa depois de aquecido e resfriado. Os dois estados possuem características elétricas diferentes, com o estado amorfo oferecendo uma resistência muito maior à passagem de corrente elétrica que o estado cristalino. Isso permite que os dois estados sejam usados para armazenar dígitos binários, com o estado amorfo representando um bit "0" e o cristalino um bit "1".

Essa mesma característica é usada em mídias ópticas regraváveis, onde a diferença na taxa de opacidade dos dois estados são usados pelo laser de leitura para armazenar os bits. No caso das mídias ópticas, o calcogeneto é simplesmente espalhado uniformemente sobre a mídia e variações na intensidade do laser de gravação são usadas para atingir as temperaturas que dão origem aos dois estados.

Os chips PCM por sua vez utilizam células compostas por um par de eletrodos, um pequeno bloco de uma liga de calcogeneto (uma liga de germânio, antimônio e telúrio) e um resistor, que é usado para aquecer e assim alterar o estado de parte do material. Uma vez solidificado, o bit armazenado no bloco pode ser lido através dos eletrodos, com o controlador enviando uma pequena corrente elétrica e medindo a resistência.

Sendo um bloco sólido, a estrutura é extremamente durável, permitindo que os dados sejam armazenados por vários séculos, com suporte a um volume de regravações potencialmente muito maior que os chips de memória Flash NAND atuais.

Embora o uso de um resistor sugira o uso de muita energia, o tamanho reduzido das células permite que os chips PCM sejam na verdade mais econômicos que os chips de memória Flash, onde as células utilizam muita energia nas operações de escrita devido às tensões necessárias.

Em termos de desempenho, os chips PCM assumem um posto intermediário entre os chips de memória Flash e memória RAM. Em termos de leitura, eles podem ser quase tão rápidos quanto a memória RAM e mesmo as taxas de escrita são superiores à da memória Flash, graças ao endereçamento individual das células, o que permite escrever um bit de cada vez (em oposição à escrita em blocos da memória Flash), uma combinação que as torna especialmente atrativas no caso dos SSDs.

As memórias PCM não são uma tecnologia nova. As primeiras pesquisas foram publicadas ainda na década de 60 e um chip de 256 bits chegou a ser construído em 1970, mostrando a viabilidade da tecnologia. Entretanto, a evolução da memória RAM e das mídias magnéticas rapidamente roubaram a atenção, fazendo com que as memórias PCM fossem deixadas de lado, até que a ameaça de estagnação da memória Flash fez com que as pesquisas fossem retomadas.

A principal empresa por trás do desenvolvimento das memórias PCM é a Numonyx, uma joint-venture entre a Intel e a STMicro. Em outubro de 2009 foi apresentado um protótipo de chip de 64 megabits, que suporta o empilhamento de múltiplas camadas (um pré-requisito para a construção de chips de grande capacidade) e suporta a gravação de dois bits por célula, usando uma técnica similar à usada nos chips de memória Flash MLC. Temos aqui uma foto de microscópio que mostra os eletrodos e as células dentro do chip:

Outra proponente é a Samsung, que já fabrica chips de 512 megabits (64 MB) em pequena escala desde setembro de 2009. Eles são destinados a substituírem chips de memória RAM em smartphones, oferecendo como vantagem um consumo elétrico mais baixo (já que não precisam de ciclos refresh). A Samsung prefere chamá-mas de PRAM (Phase-change RAM), mas a tecnologia é a mesma:

Embora ainda esteja um pouco longe de ser competitiva em termos de preço e densidade com os os chips de memória Flash, as memórias PCM realmente funcionam e oferecem taxas de leitura e gravação consideravelmente mais altas. O grande problema por enquanto é como aumentar a densidade e reduzir o custo dos chips a ponto de permitir que eles sejam usados como memoria de armazenamento em smartphones e em seguida nos SSDs.

A grande questão é que a estrutura é mais simples que uma célula de memória Flash, o que oferece a possibilidade do uso de níveis muito maiores de miniaturização, o que torna os chips de memória PCM uma possibilidade real para os próximos anos.