抗輻照相變存儲器芯片溫度適應(yīng)性研究

(1. 上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201100；2. 浙江大學(xué) 微電子學(xué)院，杭州 310058)

0 引言

半導(dǎo)體技術(shù)的進步與發(fā)展已成為現(xiàn)代高科技的基礎(chǔ)和現(xiàn)代社會的主要推動力之一。從計算機、手機、互聯(lián)網(wǎng)、云計算、數(shù)據(jù)中心、全球定位系統(tǒng)，再到數(shù)字媒體設(shè)備、家用電器、智能身份證、傳感器、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)智能設(shè)備、衛(wèi)星、航天飛機、致命的武器系統(tǒng)等多領(lǐng)域與應(yīng)用場合，半導(dǎo)體芯片無所不在。自從20世紀中葉以來，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展對人類進步做出的卓越的貢獻，現(xiàn)代社會已經(jīng)離不開半導(dǎo)體產(chǎn)品。在現(xiàn)代集成電路中，單個器件可以做到納米級別的尺寸，可以將數(shù)十億個晶體管集成到一個芯片中，可以處理和存儲海量的信息。

從未來技術(shù)發(fā)展的角度來看，半導(dǎo)體芯片不僅需要工藝的更進一步縮小和更低的成本，還需要具有更高的性能、安全性、以及可靠性。然而，當半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)競相尋找一個捷徑去繼續(xù)摩爾定律的時候，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體存儲器面臨著幾個關(guān)鍵的挑戰(zhàn)。DRAM，SRAM，閃存(Flash)等幾種傳統(tǒng)的半導(dǎo)體存儲器都是基于電荷來存儲信息的。基于電荷存儲的存儲器所面臨的一個很大的挑戰(zhàn)就是電荷存儲量(單個器件中存儲的電子數(shù)目)隨著工藝尺寸的縮減變的太少，進而引發(fā)可靠性操作的問題。表1顯示了一些預(yù)計半導(dǎo)體存儲器技術(shù)走向。一般的共識是在未來幾年DRAM和閃存隨著半導(dǎo)體工藝尺寸的縮小將會變得越來越困難和昂貴，難以繼續(xù)發(fā)展下去。同時DRAM和閃存都有致命的限制其應(yīng)用的明顯缺點：DRAM是易失型存儲器，在沒有電源的情況下無法存儲信息。而閃存則速度很慢，比DRAM慢多個數(shù)量級。而對于空間應(yīng)用來說，這些傳統(tǒng)的基于電荷存儲的存儲器芯片還有一個更致命的缺點，所存儲的電荷(代表1或0信息)非常容易受輻照的影響而導(dǎo)致失效。

表1 ITRS 提出的半導(dǎo)體存儲器技術(shù)路線

經(jīng)過最近幾十年的研發(fā)，目前已有幾種新型的存儲器技術(shù)可以克服閃存和DRAM的發(fā)展瓶頸，他們各具有不同的特點。其中，相變存儲器(PCM)具有非常優(yōu)越的性能，它具有非易失、速度快、高容量、低耗能、讀寫次數(shù)高及成本低等優(yōu)勢，被認為是一種既可以取代Flash又能夠取代DRAM的通用存儲器，同時也可以取代電腦硬盤。PCM同時克服了Flash和DRAM的缺點，兼具兩者優(yōu)點，既像Flash一樣具有非易失性和低成本的優(yōu)點，同時具有接近于DRAM的讀寫速度。PCM還具有Flash和DRAM都不具備的優(yōu)點：它可以進一步減少器件尺寸到納米量級。更重要的一個優(yōu)點是，相變材料對輻照不敏感，因為相變材料的阻值(代表1或0信息)由相變材料的晶態(tài)決定，與電荷無關(guān)，而輻照對晶態(tài)的影響十分輕微，因此相變存儲器對輻照有極強的抵抗力。基于這個特點，相變存儲器非常適合航天航空等應(yīng)用領(lǐng)域，可以在航天領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用，如衛(wèi)星、火箭、導(dǎo)彈等。當PCM芯片應(yīng)用于衛(wèi)星大容量固態(tài)存儲時，比較看重的特性為：大容量、高速度、防抗輻射、高可靠性。但是從目前的技術(shù)水平上看，PCM暫無 FLASH 大容量特性優(yōu)勢，因此高速度和抗輻照特性是PCM的優(yōu)勢所在。然而PCM存儲器也有一個不足之處，其性能受溫度的影響比DRAM和Flash更嚴重，因為溫度可以改變相變材料的晶態(tài)。本文旨在用實驗方法取得商用PCM芯片抗輻照特性和高低溫試驗中的存儲性能表現(xiàn)與功耗情況，評估相變存儲器空間應(yīng)用的可行性。

1 原理

相變材料在20世紀60年代就被發(fā)現(xiàn)[1]，PCM存儲器技術(shù)的研究和發(fā)展也已經(jīng)超過了30年，而相變存儲器的應(yīng)用卻在最近幾年才開始，這主要得益于一些新型相變材料的發(fā)現(xiàn)，如Ge2Sb2Te5(GST)等，GST(Ge2Sb2Te5)，屬于硫系化合物。硫系化合物主要指的是VI族元素與III-V族元素組成的合金。這類合金具有可變的非晶態(tài)、多晶態(tài)等相態(tài)，并能夠在相態(tài)之間進行納秒級轉(zhuǎn)變(10～30 ns)[2]。在不同相態(tài)下，其光學(xué)特性包括折射率與吸收系數(shù)具有相當大的差異，其電學(xué)特性主要表現(xiàn)為電阻值也有相當大的差異[3]。在近30年，相變材料被廣泛于多媒體光學(xué)存儲，如DVD中[4-5]，近15年間，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，相變材料開始被應(yīng)用于高速非易失性存儲器中[6-7]，并且有研究論證了相變存儲器可以與傳統(tǒng)的存儲技術(shù)如閃存技術(shù)等競爭的可行性[7]。

相變存儲器集成到陣列當中時通常有3種形式，如圖1所示。

圖1 PCM存儲單元集成時采用的不同驅(qū)動電路

圖1中(a)的存儲單元只包含一個相變單元。相變存儲器的上下兩端分別與字線和位線相連，這種結(jié)構(gòu)最簡單，可以實現(xiàn)最小單元面積，同時可以三維立體集成。2008年HP實驗室制作出半節(jié)距30 nm的MIM結(jié)構(gòu)，而當時DRAM的半節(jié)距是59 nm，在編程和讀操作時，通過行譯碼和列譯碼選中一條字線和一條位線，從而選中交叉點的單元，但是這種0T1R單元陣列存在嚴重的干擾。為了避免非選中單元引起的干擾和泄漏路徑，應(yīng)該在每個存儲單元增加一個選擇開關(guān)，可以用二極管作開關(guān)器件，這樣就構(gòu)成了1D1R存儲單元，即圖中(b)所示結(jié)構(gòu)。可以采用在硅襯底形成PN結(jié)開關(guān)二極管，但是這種結(jié)構(gòu)占用面積大。圖中(c)是目前使用最廣泛的結(jié)構(gòu)，用MOSFET作單元的選擇開關(guān)構(gòu)成1T1R單元，采用MOSFET作控制開關(guān)可以有效抑制泄漏電流，而且MOSFET也可以提供較大的編程電流，加快編程速度。

在性能上，未來相變存儲器最有可能取代的是DRAM和Flash兩種技術(shù)。在速度上，相變存儲器與DRAM相近。隨著產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴大，相變存儲器的成本也在逐年降低，根據(jù)市場數(shù)據(jù)，未來將降到DRAM之下，同時，相變存儲器是一種非易失性存儲器，隨著成本的降低和工藝的進步，未來也可以取代Flash作為大容量存儲的介質(zhì)。與Flash相比，相變存儲器的數(shù)據(jù)保持力更持久，理論上，在85攝氏度下，相變存儲器的數(shù)據(jù)可以保持10年之久，而擦寫次數(shù)更是達到10萬次以上，這是Flash無法比擬的，同時讀寫速度都比Flash高幾個數(shù)量級，接近DRAM的速度。SRAM作為一種高速存儲器，通常不會以獨立存儲器的形式出現(xiàn)在市場上。除上述優(yōu)點以外，相變材料還具有抗輻照的特點。由于輻照對三極管柵極界面電荷影響很大，因此傳統(tǒng)存儲器抗輻照能力很差，而相變存儲器中，相變材料的阻值變化對輻照并不敏感，因此抗輻照性能優(yōu)異。

鑒于相變存儲器的特點，包括簡單的結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的抗輻照性能、非易失性、高速等特點,相變存儲器有望取代現(xiàn)有的多種存儲器技術(shù)。

2 實驗環(huán)境搭建

LPDDR2-PCM MT66R7072是鎂光公司于2012年研發(fā)推出的低功耗相變存儲芯片，具有512 Mb和1 Gb兩個容量版本，采用VFBGA封裝結(jié)構(gòu)，芯片尺寸為8 mm×8 mm×0.8 mm。本實驗旨在驗證該相變存儲芯片各項性能表現(xiàn)和抗輻照特性是否滿足航空航天應(yīng)用需求，測試內(nèi)容主要包括:

1)常溫下芯片根據(jù)時序(250 M)進行常規(guī)的讀寫擦操作、芯片功耗測試；

2)常溫下芯片根據(jù)時序進行最快速度的讀寫擦操作、芯片功耗測試；

3)高低溫環(huán)境下芯片根據(jù)時序(250 M)的常規(guī)讀寫擦操作、芯片功耗測試；

4)高低溫環(huán)境下芯片根據(jù)時序的最快讀寫擦操作、芯片功耗測試。

具體數(shù)據(jù)方面,芯片運行時序及速度要求能達到數(shù)據(jù)表指明的數(shù)據(jù)范圍，溫度范圍為-25～85 ℃(需要將硬件環(huán)境放置于高低溫箱進行測試)。

針對測試板的功能需求，本實驗采用FPGA作為主控芯片的方案來實現(xiàn)整個測試板的功能。測試板系統(tǒng)如圖2所示，包括一塊外圍板，一塊核心板。

圖2 LPDDR2-PCM芯片測試板系統(tǒng)(包括一塊外圍板和一塊核心板)

核心板基于Xilinx Artix系列XC7A35T來設(shè)計，XC7A35核心板可為各種嵌入式應(yīng)用實現(xiàn)快捷跨越式啟步，其中包括從基于Linux的計算密集型系統(tǒng)到輕量級微控制器等各種應(yīng)用。通過微控制器完成數(shù)據(jù)的搬移和對存儲顆粒的讀寫操作。外圍板采用標準的ZedBoard來實現(xiàn)，ZedBoard是基于Xilinx ZynqTM7000擴展式處理平臺(EPP)的開發(fā)板。核心板與外圍板通過硬件接口互聯(lián)。核心板通過網(wǎng)口與PC機建立通信，PC發(fā)送測試任務(wù)，并監(jiān)測測試板運行情況。

3 實驗設(shè)計與實施

外圍板和核心板通過擴展接口連接，核心板以此獲取外圍板的供電電源。外圍板通過USB與PC串口相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

1)芯片功能表征方法：芯片功能，即 PCM 進行擦、寫、讀的速度，由 FPGA 記錄擦、寫、讀指令發(fā)出的時刻和PCM 完成擦、寫、讀的時刻，通過這兩個時刻做差來獲得 PCM 進行擦、寫、讀所需的時間，進而反映 PCM 進行擦、寫、讀的速度。這種方法只能間接獲得PCM 進行擦、寫、讀所需的時間，這是由于本實驗采用已封裝好的PCM芯片，無法打開封裝對芯片內(nèi)部器件直接測量，同時 PCM 讀寫對數(shù)據(jù)傳輸載體具有極高的要求，當前實驗架構(gòu)無法獲取到更準確時間。

2)芯片性能表征方法：芯片性能表征主要指芯片的功耗測試。核心板 PCM 的供電接口有 1.2 V 和1.8 V 兩個，前者負責數(shù)據(jù)I/O 及存儲，后者負責邏輯功能。功耗測試就分為兩部分，兩個電流測試點分別設(shè)置在這兩個電壓接口上，在芯片工作時，獲取待機電流和操作電流，進而計算功耗值。

3.1 溫度適應(yīng)性試驗的測試步驟

1)測試系統(tǒng)初始化：外圍板和核心板通過擴展接口連接，外圍板供電并使用USB連接線將串口與PC相連，測試系統(tǒng)搭建完成。通電，并在PC上打開 ttermpr 軟件工具，等待外圍板上系統(tǒng)啟動。

2)變溫測試:變溫測試范圍為 -25～85 ℃，每隔 5 ℃ 進行一次寫讀擦操作并記錄操作時間、誤碼率和電流值。-40 ～ 85 ℃為該芯片廠家標定的工作溫度范圍。

進行寫讀擦操作使用的數(shù)據(jù)文件有：

a) 全 0 文件，1024 Kb：內(nèi)容為二進制的 0；

b) 全 1 文件，1024 Kb：內(nèi)容為二進制的 1；

c) 55A 文件，1024 Kb：內(nèi)容為 0101 排列。

d) 隨機數(shù)文件，1024 Kb：內(nèi)容為將一份文本文件轉(zhuǎn)化得到二進制文本，其中 0 和 1 的分布沒有規(guī)律，具備隨機性。

寫、擦操作由 FPGA 發(fā)出指令控制 PCM 將數(shù)據(jù)文件寫入相應(yīng)地址，F(xiàn)PGA 反饋指令發(fā)出時刻和完成時刻；讀操作由 FPGA 發(fā)出指令控制 PCM 將數(shù)據(jù)文件傳輸回 FPGA 并與相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件進行對比，得出誤碼率。

4 實驗結(jié)果

按照第二部分的試驗步驟，搭建試驗環(huán)境。外圍板和核心板連接成功之后，電流測試節(jié)點通過引線引出高低溫箱，利用電流計對節(jié)點的電流做測試，并記錄數(shù)值。

圖3 高低溫實驗環(huán)境現(xiàn)場

試驗過程共測得 -40～85 ℃ 一共 26 個測試點的試驗數(shù)據(jù)。圖4對各個數(shù)據(jù)結(jié)果做分析討論。

4.1 寫入時間與溫度變化趨勢

圖4 數(shù)據(jù)結(jié)果分析

從PC端的端口頁面，查看打印的報文，從中讀出寫入開始時間與結(jié)束時間，對其兩者作差，可以得出寫入時間與溫度的變化曲線。全1寫、全0寫、55A、隨機數(shù)的寫入時間在2～3.5 s之間隨機波動，可以看出寫入時間受溫度影響較小。

4.2 誤碼率與溫度變化趨勢

圖5 寫入隨機數(shù)誤碼率隨溫度變化曲線

在試驗溫度-40～55 ℃的范圍內(nèi)，芯片進行全1寫、全0寫、55A寫操作的誤碼率均為0，55 ℃時約為1.3871%。

由于外圍板和核心板硬件上的限制，當溫度高于55 ℃時，本實驗環(huán)境無法測量出有效的誤碼率數(shù)據(jù)。

4.3 功耗消耗與溫度變化趨勢

圖6 待機功耗隨溫度變化曲線

在圖2所示的電源跳帽處接入導(dǎo)線，用電流夾具測得電流值大小，然后乘以對應(yīng)的電壓值，得到功耗試驗數(shù)據(jù)，整理出如下圖所示的待機狀態(tài)芯片功耗與溫度的變化曲線：

常溫25 ℃下，待機功耗大概為9.792 mW；在試驗的最低溫度-40 ℃情況下，總功耗為8.658 mW；在試驗最高溫80 ℃情況下，總功耗為11.184 mW。

核心板PCM的供電接口有1.2 V 和1.8 V 兩個，前者負責數(shù)據(jù) I/O 及存儲，后者負責邏輯功能。根據(jù)測試結(jié)果分析，負責邏輯功能的模塊功耗受溫度影響較小，負責數(shù)據(jù)I/O及存儲模塊的功耗隨著溫度的升高有增長的趨勢，但是趨勢很緩慢，最終總功耗從最低溫到最高溫功耗僅增加2.526 mW。

根據(jù)測得的試驗數(shù)據(jù)，整理出芯片全寫1時功耗與溫度的變化曲線如圖7所示。

圖7 功耗與溫度變化曲線圖

常溫25 ℃情況下，全寫1的讀寫功耗為36.474 mW；在試驗的最低溫度-40 ℃情況下，功耗為34.92 mW；在試驗最高溫80 ℃情況下，功耗為38.352 mW。可以看出待機功耗隨著溫度的升高有增長的趨勢，但是趨勢很緩慢，從最低溫到最高溫功耗增加3.432 mW。全寫0的擦除功耗為20.388 mW；在試驗的最低溫度-40 ℃情況下，功耗為19.278 mW；在試驗最高溫80 ℃情況下，功耗為22.482 mW。可以看出待機功耗隨著溫度的升高有增長的趨勢，但是趨勢很緩慢，從最低溫到最高溫功耗增加3.204 mW。寫入55A文件的功耗為27.000 mW；在試驗的最低溫度-40 ℃情況下，功耗為25.812 mW；在試驗最高溫80 ℃情況下，功耗為29.256 mW。可以看出待機功耗隨著溫度的升高有增長的趨勢，但是趨勢很緩慢，從最低溫到最高溫功耗增加3.444 mW。寫隨機數(shù)文件的功耗為31.320 mW；在試驗的最低溫度-40 ℃情況下，功耗為30.018 mW；在試驗最高溫80 ℃情況下，功耗為33.318 mW。可以看出待機功耗隨著溫度的升高有增長的趨勢，但是趨勢很緩慢，從最低溫到最高溫功耗增增加了3.3 mW。

5 結(jié)束語

本實驗選擇鎂光公司2012年推出的低功耗相變存儲芯LPDDR2-PCM MT66R7072，進行溫度適應(yīng)性測試。從實驗結(jié)果可見：在常溫下待機功耗為9.792 mW，最大工作功耗為36.474 mW，滿足低功耗設(shè)計標準。關(guān)于耐溫特性，在低溫-40 ℃，芯片均能正常讀寫，且誤碼率為零。在高溫段，最高試驗溫度是80 ℃，讀寫速度受溫度影響較小，理論上在正常工作溫度范圍內(nèi)，均能快速完成讀寫工作。尤其是在低溫-40 ℃情況下，芯片性能表現(xiàn)良好。