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PCM, la mémoire à tout faire

Jean-Charles Guézel

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La mémoire changement de phase, dite PCM ou également OUM, pourrait bien un jour détrôner toutes les autres.

Les mémoires, on s'y perd un peu. Il y a déjà la vaste panoplie de celles qui ont fait leurs preuves : Rom, Dram, Sram, Flash... Et il y a la liste, au moins aussi vaste, de celles qui n'ont pas encore creusé leur trou mais dont on attend qu'émerge la "mémoire universelle", bonne à tout faire et cependant pas trop chère.

Actuellement, ce sont l'Eeprom (Electrically Erasable Programmable Rom) et surtout la Flash (ainsi nommée parce que sa zone mémoire peut être effacée page par page en une seule opération) qui remplissent plus ou moins ce rôle. Deux dispositifs à la fois non volatils (les données stockées ne sont pas perdues lorsque la tension d'alimentation disparaît, contrairement aux Ram) et reprogrammables à volonté (contrairement aux Rom).

Compatible avec les procédés Cmos

Mais demain, de quelle mémoire non volatile les équipements électroniques seront-ils dotés ? Fram (Ferroelectric Ram), Mram (Magnetic Ram), Nram (Nanotube Ram) ou PCM (Phase Change Memory) ? Chacune a ses partisans. En fait, ce que les fabricants cherchent à mettre au point, ce sont des dispositifs compatibles, « à quel-ques étapes près », avec les procédés Cmos conventionnels et qui sont au moins aussi miniaturisables que les Flash, mais surtout plus robustes et plus rapides.

La Ram ferroélectrique, promue par Ramtron mais étudiée de près par tout le Gotha des semi-conducteurs, a l'avantage d'être industria-lisée depuis déjà quelques années (on la trouve en version 256 Kbit sur les dernières imprimantes laser et multifonctions de Ricoh par exemple). Elle est robuste (1012 à 1015 cycles contre 105 à 106 pour les Flash) mais peine à progresser en termes de densité. La Ram magnétique, elle, est encore plus robuste (1015 cycles et au-delà) mais moins avancée au plan industriel. Elle est cependant très attendue par l'industrie informatique qui y voit une alternative au disque dur du fait de sa rapidité (temps de cycle de moins de 40 ns contre 150 à 350 ns pour la Fram) et de la petitesse de sa cellule de base.

À ce stade, difficile toutefois de dire si ces mémoires sauront s'imposer, d'autant que la Nram et la PCM sont, elles aussi, aux aguets. Développée par la start-up américaine Nantero, la Nram met en oeuvre des nanotubes de carbone (1 à 2 nm de diamètre) suspendus à une plaque de silicium et soumis à un champ électrique qui les place dans une position haute ou basse en fonction du bit à enregistrer. La lecture se fait en mesurant la résistance électrique entre le nanotube et une électrode de référence.

Très prometteur du point de vue de la densité (un prototype de 10 Gbit aurait d'ores et déjà été réalisé), ce principe de fonctionnement suscite malgré tout des inquiétudes en matière de fiabilité. Nantero n'a d'ailleurs communiqué aucune information précise concernant l'endurance de ce dispositif.

La PCM, aussi appelée OUM (Ovonic Unified Memory), du nom de l'un des principaux détenteurs de brevets la concernant (Ovonyx), est en revanche beaucoup mieux connue. Quoique toujours au stade du développement, cette mémoire connaît actuellement un net regain d'intérêt, comme le montre la kyrielle d'accords dont elle a récemment fait l'objet : Ovonyx/Elpida (un fabricant de Dram) et IBM/Infineon/ Macronix (un fabricant de Flash) notamment. Selon IBM, les OUM pourraient apparaître sur le marché d'ici trois à cinq ans...

La chasse aux déperditions thermiques

Dans le principe, ces composants exploitent la propriété, que possèdent certains matériaux appelés chalcogénures (à base de soufre, de sélénium ou encore de tellure), de basculer de façon réversible par simple élévation de température entre deux états stables, l'un amorphe et l'autre cristallin. Ce phénomène physique est d'ailleurs parfaitement maîtrisé dans les disques optiques réinscriptibles où c'est un laser qui est à la fois chargé de porter le matériau à la température voulue et de mesurer sa réflectivité, en fonction de l'état de ce matériau.

Dans le cas des mémoires électroniques, c'est le passage d'un courant électrique qui conduit au changement de phase, la lecture se résumant à une mesure de résistance : basse pour l'état cristallin, élevée pour l'état amorphe. Ovonyx a notamment étudié de très près les propriétés des alliages à base de tellurure d'antimoine et/ou de germanium et c'est tout naturellement à un matériau de ce type, plus précisément à du Ge2Sb2Te5, que STMicroelectronics (licencié d'Ovonyx) a fait appel pour ses propres démonstrateurs. Des cellules décrites comme étant facilement intégrables dans un circuit Cmos "avancé" et qui offriraient une endurance de 100 milliards de cycles : largement plus qu'il n'en faut pour la plupart des applications. Le courant de programmation ne dépasserait pas 600 µA et le temps de basculement 40 ns ou 100 ns selon le sens du changement d'état. La durée de rétention des informations atteindrait, quant à elle, 350 ans à 85 °C... Des résultats plus qu'encourageants, d'autant que ST possède déjà, dans ses cartons, un prototype de 8 Mbit.

Autre acteur important dans le domaine des PCM, Philips Research a, de son côté, développé une cellule en tellurure d'antimoine pour laquelle il s'est efforcé de réduire autant que possible la tension de chauffage, en particulier lorsque le matériau doit passer de l'état amorphe à l'état cristallin. Jusqu'à présent, la valeur élevée de cette tension constituait en effet un obstacle sérieux à l'industrialisation de la PCM dans le cadre de la technologie Cmos classique. En faisant la chasse aux déperditions thermiques - la cellule est enchâssée dans un écrin de silice parfaitement isolant -, Philips a ramené le champ électrique nécessaire de plusieurs dizaines de volts/cm à 14 V/µm, soit une tension de seulement 0,7 V dans le cas d'une géométrie de 50 nm. Concernant la vitesse, Philips fait état de changements de phase se produisant en 30 ns, ce qui rendrait ce dispositif au moins 100 fois plus rapide qu'une Flash traditionnelle.

LES FLASH EN PLEINE ÉBULLITION

- En attendant l'arrivée d'une hypothétique mémoire universelle, les fabricants de Flash ne restent pas les deux pieds dans le même sabot. Au contraire, ils cherchent à cumuler les avantages des deux sous-familles de Flash que sont les Nor, traditionnellement destinées au stockage de codes, et les Nand, plutôt dévolues à celui des données. Ce composant hybride a été baptisé Ornand. Jusqu'à présent, exclusivement fournisseur de mémoires Nor, Spansion a annoncé qu'il lancerait de tels produits en version 512 Mbit dès 2006. En 2007, doublement des densités « En mode salve, ces Flash auront des vitesses d'écriture jusqu'à quatre fois plus élevées que celles des Nand, tout en conservant la fiabilité et la vitesse de lecture qui ont fait la réputation des Nor Mirrorbit », affirme Jean-Marc Julia, vice-président de Spansion pour les zones Europe et Méditerranée. Par ailleurs, la technologie Spansion Mirrobit, qui permet actuellement de stocker 2 bit par cellule, permettra bientôt d'en stocker deux fois plus. Enfin, le passage d'ores et déjà programmé d'une technologie 90 nm à une technologie 65 nm, en 2007, doublera automatiquement les densités.

ET AUSSI...

- La Fram (Ferroelectric Ram) met en oeuvre des cristaux de type pérovskite dont l'atome central passe d'une position stable à une autre par application d'un champ électrique. - La Mram (Magnetic Ram) stocke l'information binaire au sein d'un film magnétique. - La Nram (Nanotube Ram) fait appel à des nanotubes de carbone suspendus à une plaque de silicium et soumis à un champ électrique qui les déplace en fonction de la valeur du bit à enregistrer.

La OUM d'Ovonyx

- Programmation par changement de phases réversible (amorphe-cristalline et vice-versa) d'un chalcogénure - Vitesse d'écriture de quelques dizaines de nanosecondes - Endurance de plusieurs dizaines de milliards de cycles - Tension de fonctionnement inférieure au volt - Rétention des informations pendant plusieurs centaines d'années Ce qu'il va changer > Non volatile, reprogrammable et semble-t-il facilement miniaturisable, ce composant pourrait remplacer la Flash en étant beaucoup plus endurant et plus rapide.

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