抗輻照相變存儲(chǔ)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(jìn)步與發(fā)展已成為現(xiàn)代高科技的基礎(chǔ)和現(xiàn)代社會(huì)的主要推動(dòng)力之一。從計(jì)算機(jī)、手機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)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(jī)、致命的武器系統(tǒng)等多領(lǐng)域與應(yīng)用場(chǎng)合，半導(dǎo)體芯片無(wú)所不在。自從20世紀(jì)中葉以來(lái)，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展對(duì)人類進(jìn)步做出的卓越的貢獻(xiàn)，現(xiàn)代社會(huì)已經(jīng)離不開(kāi)半導(dǎo)體產(chǎn)品。在現(xiàn)代集成電路中，單個(gè)器件可以做到納米級(jí)別的尺寸，可以將數(shù)十億個(gè)晶體管集成到一個(gè)芯片中，可以處理和存儲(chǔ)海量的信息。

從未來(lái)技術(shù)發(fā)展的角度來(lái)看，半導(dǎo)體芯片不僅需要工藝的更進(jìn)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(dāng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)競(jìng)相尋找一個(gè)捷徑去繼續(xù)摩爾定律的時(shí)候，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器面臨著幾個(gè)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(chǔ)器都是基于電荷來(lái)存儲(chǔ)信息的。基于電荷存儲(chǔ)的存儲(chǔ)器所面臨的一個(gè)很大的挑戰(zhàn)就是電荷存儲(chǔ)量(單個(gè)器件中存儲(chǔ)的電子數(shù)目)隨著工藝尺寸的縮減變的太少，進(jìn)而引發(fā)可靠性操作的問(wèn)題。表1顯示了一些預(yù)計(jì)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器技術(shù)走向。一般的共識(shí)是在未來(lái)幾年DRAM和閃存隨著半導(dǎo)體工藝尺寸的縮小將會(huì)變得越來(lái)越困難和昂貴，難以繼續(xù)發(fā)展下去。同時(shí)DRAM和閃存都有致命的限制其應(yīng)用的明顯缺點(diǎn)：DRAM是易失型存儲(chǔ)器，在沒(méi)有電源的情況下無(wú)法存儲(chǔ)信息。而閃存則速度很慢，比DRAM慢多個(gè)數(shù)量級(jí)。而對(duì)于空間應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這些傳統(tǒng)的基于電荷存儲(chǔ)的存儲(chǔ)器芯片還有一個(gè)更致命的缺點(diǎn)，所存儲(chǔ)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(chǔ)器技術(shù)路線

經(jīng)過(guò)最近幾十年的研發(fā)，目前已有幾種新型的存儲(chǔ)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(diǎn)。其中，相變存儲(chǔ)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(xiě)次數(shù)高及成本低等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是一種既可以取代Flash又能夠取代DRAM的通用存儲(chǔ)器，同時(shí)也可以取代電腦硬盤。PCM同時(shí)克服了Flash和DRAM的缺點(diǎn)，兼具兩者優(yōu)點(diǎn)，既像Flash一樣具有非易失性和低成本的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有接近于DRAM的讀寫(xiě)速度。PCM還具有Flash和DRAM都不具備的優(yōu)點(diǎn)：它可以進(jìn)一步減少器件尺寸到納米量級(jí)。更重要的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，相變材料對(duì)輻照不敏感，因?yàn)橄嘧儾牧系淖柚?代表1或0信息)由相變材料的晶態(tài)決定，與電荷無(wú)關(guān)，而輻照對(duì)晶態(tài)的影響十分輕微，因此相變存儲(chǔ)器對(duì)輻照有極強(qiáng)的抵抗力。基于這個(gè)特點(diǎn)，相變存儲(chǔ)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(dāng)PCM芯片應(yīng)用于衛(wèi)星大容量固態(tài)存儲(chǔ)時(shí)，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(wú) FLASH 大容量特性優(yōu)勢(shì)，因此高速度和抗輻照特性是PCM的優(yōu)勢(shì)所在。然而PCM存儲(chǔ)器也有一個(gè)不足之處，其性能受溫度的影響比DRAM和Flash更嚴(yán)重，因?yàn)闇囟瓤梢愿淖兿嘧儾牧系木B(tài)。本文旨在用實(shí)驗(yàn)方法取得商用PCM芯片抗輻照特性和高低溫試驗(yàn)中的存儲(chǔ)性能表現(xiàn)與功耗情況，評(píng)估相變存儲(chǔ)器空間應(yīng)用的可行性。

1 原理

相變材料在20世紀(jì)60年代就被發(fā)現(xiàn)[1]，PCM存儲(chǔ)器技術(shù)的研究和發(fā)展也已經(jīng)超過(guò)了30年，而相變存儲(chǔ)器的應(yīng)用卻在最近幾年才開(kāi)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(jìn)行納秒級(jí)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(dāng)大的差異，其電學(xué)特性主要表現(xiàn)為電阻值也有相當(dāng)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(chǔ)，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(kāi)始被應(yīng)用于高速非易失性存儲(chǔ)器中[6-7]，并且有研究論證了相變存儲(chǔ)器可以與傳統(tǒng)的存儲(chǔ)技術(shù)如閃存技術(shù)等競(jìng)爭(zhēng)的可行性[7]。

相變存儲(chǔ)器集成到陣列當(dāng)中時(shí)通常有3種形式，如圖1所示。

圖1 PCM存儲(chǔ)單元集成時(shí)采用的不同驅(qū)動(dòng)電路

圖1中(a)的存儲(chǔ)單元只包含一個(gè)相變單元。相變存儲(chǔ)器的上下兩端分別與字線和位線相連，這種結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)最小單元面積，同時(shí)可以三維立體集成。2008年HP實(shí)驗(yàn)室制作出半節(jié)距30 nm的MIM結(jié)構(gòu)，而當(dāng)時(shí)DRAM的半節(jié)距是59 nm，在編程和讀操作時(shí)，通過(guò)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(diǎn)的單元，但是這種0T1R單元陣列存在嚴(yán)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(gè)存儲(chǔ)單元增加一個(gè)選擇開(kāi)關(guān)，可以用二極管作開(kāi)關(guān)器件，這樣就構(gòu)成了1D1R存儲(chǔ)單元，即圖中(b)所示結(jié)構(gòu)?？梢圆捎迷诠枰r底形成PN結(jié)開(kāi)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(kāi)關(guān)構(gòu)成1T1R單元，采用MOSFET作控制開(kāi)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(lái)相變存儲(chǔ)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(chǔ)器與DRAM相近。隨著產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，相變存儲(chǔ)器的成本也在逐年降低，根據(jù)市場(chǎng)數(shù)據(jù)，未來(lái)將降到DRAM之下，同時(shí)，相變存儲(chǔ)器是一種非易失性存儲(chǔ)器，隨著成本的降低和工藝的進(jìn)步，未來(lái)也可以取代Flash作為大容量存儲(chǔ)的介質(zhì)。與Flash相比，相變存儲(chǔ)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(chǔ)器的數(shù)據(jù)可以保持10年之久，而擦寫(xiě)次數(shù)更是達(dá)到10萬(wàn)次以上，這是Flash無(wú)法比擬的，同時(shí)讀寫(xiě)速度都比Flash高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，接近DRAM的速度。SRAM作為一種高速存儲(chǔ)器，通常不會(huì)以獨(dú)立存儲(chǔ)器的形式出現(xiàn)在市場(chǎng)上。除上述優(yōu)點(diǎn)以外，相變材料還具有抗輻照的特點(diǎn)。由于輻照對(duì)三極管柵極界面電荷影響很大，因此傳統(tǒng)存儲(chǔ)器抗輻照能力很差，而相變存儲(chǔ)器中，相變材料的阻值變化對(duì)輻照并不敏感，因此抗輻照性能優(yōu)異。

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

2 實(shí)驗(yàn)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(chǔ)芯片，具有512 Mb和1 Gb兩個(gè)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(shí)驗(yàn)旨在驗(yàn)證該相變存儲(chǔ)芯片各項(xiàng)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(cè)試內(nèi)容主要包括:

1)常溫下芯片根據(jù)時(shí)序(250 M)進(jìn)行常規(guī)的讀寫(xiě)擦操作、芯片功耗測(cè)試；

2)常溫下芯片根據(jù)時(shí)序進(jìn)行最快速度的讀寫(xiě)擦操作、芯片功耗測(cè)試；

3)高低溫環(huán)境下芯片根據(jù)時(shí)序(250 M)的常規(guī)讀寫(xiě)擦操作、芯片功耗測(cè)試；

4)高低溫環(huán)境下芯片根據(jù)時(shí)序的最快讀寫(xiě)擦操作、芯片功耗測(cè)試。

具體數(shù)據(jù)方面,芯片運(yùn)行時(shí)序及速度要求能達(dá)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(jìn)行測(cè)試)。

針對(duì)測(cè)試板的功能需求，本實(shí)驗(yàn)采用FPGA作為主控芯片的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)試板的功能。測(cè)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(cè)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(lái)設(shè)計(jì)，XC7A35核心板可為各種嵌入式應(yīng)用實(shí)現(xiàn)快捷跨越式啟步，其中包括從基于Linux的計(jì)算密集型系統(tǒng)到輕量級(jí)微控制器等各種應(yīng)用。通過(guò)微控制器完成數(shù)據(jù)的搬移和對(duì)存儲(chǔ)顆粒的讀寫(xiě)操作。外圍板采用標(biāo)準(zhǔn)的ZedBoard來(lái)實(shí)現(xiàn)，ZedBoard是基于Xilinx ZynqTM7000擴(kuò)展式處理平臺(tái)(EPP)的開(kāi)發(fā)板。核心板與外圍板通過(guò)硬件接口互聯(lián)。核心板通過(guò)網(wǎng)口與PC機(jī)建立通信，PC發(fā)送測(cè)試任務(wù)，并監(jiān)測(cè)測(cè)試板運(yùn)行情況。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

外圍板和核心板通過(guò)擴(kuò)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(guò)USB與PC串口相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

1)芯片功能表征方法：芯片功能，即 PCM 進(jìn)行擦、寫(xiě)、讀的速度，由 FPGA 記錄擦、寫(xiě)、讀指令發(fā)出的時(shí)刻和PCM 完成擦、寫(xiě)、讀的時(shí)刻，通過(guò)這兩個(gè)時(shí)刻做差來(lái)獲得 PCM 進(jìn)行擦、寫(xiě)、讀所需的時(shí)間，進(jìn)而反映 PCM 進(jìn)行擦、寫(xiě)、讀的速度。這種方法只能間接獲得PCM 進(jìn)行擦、寫(xiě)、讀所需的時(shí)間，這是由于本實(shí)驗(yàn)采用已封裝好的PCM芯片，無(wú)法打開(kāi)封裝對(duì)芯片內(nèi)部器件直接測(cè)量，同時(shí) PCM 讀寫(xiě)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸載體具有極高的要求，當(dāng)前實(shí)驗(yàn)架構(gòu)無(wú)法獲取到更準(zhǔn)確時(shí)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(cè)試。核心板 PCM 的供電接口有 1.2 V 和1.8 V 兩個(gè)，前者負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)I/O 及存儲(chǔ)，后者負(fù)責(zé)邏輯功能。功耗測(cè)試就分為兩部分，兩個(gè)電流測(cè)試點(diǎn)分別設(shè)置在這兩個(gè)電壓接口上，在芯片工作時(shí)，獲取待機(jī)電流和操作電流，進(jìn)而計(jì)算功耗值。

3.1 溫度適應(yīng)性試驗(yàn)的測(cè)試步驟

1)測(cè)試系統(tǒng)初始化：外圍板和核心板通過(guò)擴(kuò)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(cè)試系統(tǒng)搭建完成。通電，并在PC上打開(kāi) ttermpr 軟件工具，等待外圍板上系統(tǒng)啟動(dòng)。

2)變溫測(cè)試:變溫測(cè)試范圍為 -25～85 ℃，每隔 5 ℃ 進(jìn)行一次寫(xiě)讀擦操作并記錄操作時(shí)間、誤碼率和電流值。-40 ～ 85 ℃為該芯片廠家標(biāo)定的工作溫度范圍。

進(jìn)行寫(xiě)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(jìn)制的 0；

b) 全 1 文件，1024 Kb：內(nèi)容為二進(jìn)制的 1；

c) 55A 文件，1024 Kb：內(nèi)容為 0101 排列。

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

寫(xiě)、擦操作由 FPGA 發(fā)出指令控制 PCM 將數(shù)據(jù)文件寫(xiě)入相應(yīng)地址，F(xiàn)PGA 反饋指令發(fā)出時(shí)刻和完成時(shí)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(jìn)行對(duì)比，得出誤碼率。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照第二部分的試驗(yàn)步驟，搭建試驗(yàn)環(huán)境。外圍板和核心板連接成功之后，電流測(cè)試節(jié)點(diǎn)通過(guò)引線引出高低溫箱，利用電流計(jì)對(duì)節(jié)點(diǎn)的電流做測(cè)試，并記錄數(shù)值。

圖3 高低溫實(shí)驗(yàn)環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)

試驗(yàn)過(guò)程共測(cè)得 -40～85 ℃ 一共 26 個(gè)測(cè)試點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖4對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)果做分析討論。

4.1 寫(xiě)入時(shí)間與溫度變化趨勢(shì)

圖4 數(shù)據(jù)結(jié)果分析

從PC端的端口頁(yè)面，查看打印的報(bào)文，從中讀出寫(xiě)入開(kāi)始時(shí)間與結(jié)束時(shí)間，對(duì)其兩者作差，可以得出寫(xiě)入時(shí)間與溫度的變化曲線。全1寫(xiě)、全0寫(xiě)、55A、隨機(jī)數(shù)的寫(xiě)入時(shí)間在2～3.5 s之間隨機(jī)波動(dòng)，可以看出寫(xiě)入時(shí)間受溫度影響較小。

4.2 誤碼率與溫度變化趨勢(shì)

圖5 寫(xiě)入隨機(jī)數(shù)誤碼率隨溫度變化曲線

在試驗(yàn)溫度-40～55 ℃的范圍內(nèi)，芯片進(jìn)行全1寫(xiě)、全0寫(xiě)、55A寫(xiě)操作的誤碼率均為0，55 ℃時(shí)約為1.3871%。

由于外圍板和核心板硬件上的限制，當(dāng)溫度高于55 ℃時(shí)，本實(shí)驗(yàn)環(huán)境無(wú)法測(cè)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(shì)

圖6 待機(jī)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(cè)得電流值大小，然后乘以對(duì)應(yīng)的電壓值，得到功耗試驗(yàn)數(shù)據(jù)，整理出如下圖所示的待機(jī)狀態(tài)芯片功耗與溫度的變化曲線：

常溫25 ℃下，待機(jī)功耗大概為9.792 mW；在試驗(yàn)的最低溫度-40 ℃情況下，總功耗為8.658 mW；在試驗(yàn)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(gè)，前者負(fù)責(zé)數(shù)據(jù) I/O 及存儲(chǔ)，后者負(fù)責(zé)邏輯功能。根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析，負(fù)責(zé)邏輯功能的模塊功耗受溫度影響較小，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)I/O及存儲(chǔ)模塊的功耗隨著溫度的升高有增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但是趨勢(shì)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(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，整理出芯片全寫(xiě)1時(shí)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(xiě)1的讀寫(xiě)功耗為36.474 mW；在試驗(yàn)的最低溫度-40 ℃情況下，功耗為34.92 mW；在試驗(yàn)最高溫80 ℃情況下，功耗為38.352 mW。可以看出待機(jī)功耗隨著溫度的升高有增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但是趨勢(shì)很緩慢，從最低溫到最高溫功耗增加3.432 mW。全寫(xiě)0的擦除功耗為20.388 mW；在試驗(yàn)的最低溫度-40 ℃情況下，功耗為19.278 mW；在試驗(yàn)最高溫80 ℃情況下，功耗為22.482 mW?？梢钥闯龃龣C(jī)功耗隨著溫度的升高有增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但是趨勢(shì)很緩慢，從最低溫到最高溫功耗增加3.204 mW。寫(xiě)入55A文件的功耗為27.000 mW；在試驗(yàn)的最低溫度-40 ℃情況下，功耗為25.812 mW；在試驗(yàn)最高溫80 ℃情況下，功耗為29.256 mW?？梢钥闯龃龣C(jī)功耗隨著溫度的升高有增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但是趨勢(shì)很緩慢，從最低溫到最高溫功耗增加3.444 mW。寫(xiě)隨機(jī)數(shù)文件的功耗為31.320 mW；在試驗(yàn)的最低溫度-40 ℃情況下，功耗為30.018 mW；在試驗(yàn)最高溫80 ℃情況下，功耗為33.318 mW?？梢钥闯龃龣C(jī)功耗隨著溫度的升高有增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但是趨勢(shì)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(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)選擇鎂光公司2012年推出的低功耗相變存儲(chǔ)芯LPDDR2-PCM MT66R7072，進(jìn)行溫度適應(yīng)性測(cè)試。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)：在常溫下待機(jī)功耗為9.792 mW，最大工作功耗為36.474 mW，滿足低功耗設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)于耐溫特性，在低溫-40 ℃，芯片均能正常讀寫(xiě)，且誤碼率為零。在高溫段，最高試驗(yàn)溫度是80 ℃，讀寫(xiě)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(xiě)工作。尤其是在低溫-40 ℃情況下，芯片性能表現(xiàn)良好。