Просторовий запам’ятовуючий пристрій і спосіб запису та зчитування інформації у просторовому запам’ятовуючому пристрої

Винахід належить до області зберігання та обробки цифрової інформації в електричних, оптичних, магнітних та інших системах, і стосується зокрема просторових запам'ятовуючи х пристроїв. На сьогоднішній день поширені принципи зберігання (обробки) цифрової інформації у вигляді площинних або багатошарових систем. Для тих областей застосування, де ситуація обумовлена все більш значним зменшенням розмірів мікросхем і зменшенням витрат на їх розробку, тривимірна архітектура напівпровідникових пристроїв дозволила б добитися вражаючих переваг в ціні у порівнянні з традиційними. Сучасні інтегральні мікросхеми є двовимірними (часто їх називають "пленарними") з однієї простої причини. Річ у тому, що якість кристалів, потрібна для створення найкращих транзисторів, зберігається тільки в підкладці або в самій кремнієвій основі. Як тільки на цю підкладку наноситься ізолюючий оксид або з'єднуючий метал, стає неможливим послідовне розміщення атомів кремнію так, щоб вони сформували необхідну кристалічну решітку. Необхідний шаблон-підкладка виявляється прихованою під цими шарами. В результаті традиційні транзистори утворюються тільки у верхньому шарі кремнієвої підкладки, а простір над основою використовується тільки для міжз'єднань. Проте головна мотивація для переходу на тривимірну архітектур у дуже проста: вартість кремнію безпосередньо залежить від розміру використовуваної площі (а не від об'єму). Таким чином, тривимірний метод виробництва має дві очевидні переваги. По-перше, це істотне зниження цін у розрахунку на фіксований пристрій і, по-друге, збільшення числа транзисторів на кристалі на одиниці площі. Спроби створення тривимірних інтегральних схем робилися університетами, дослідницькими лабораторіями і окремими ученими ще з початку 70-х років минулого століття. Крім використання полікристалічного кремнію, зміну структури якого передбачалося здійснювати за допомогою лазерного променя, в цих роботах передбачалися й інші конструктивні рішення, що дозволяють розміщувати декілька двовимірних мікросхем одну над іншою. Так, у 2004 році американська компанія Matrix Semiconductor оголосила про створення SD-карти нового типу на основі власної розробки - модуля тривимірної пам'яті Matrix 3-D Memory. В ході розробки цієї архітектури фірма Matrix отримала близько сотні патентів, пов'язаних з деталями її реалізації. Тривимірна пам'ять є новою системою, в якій шляхом збільшення числа шарів, що містять елементи пам'яті, реалізований перпендикулярний запис. Такий вид пам'яті має такі переваги, як низька вартість, висока щільність запису, низький рівень летючості матеріалів. Нова карта пам'яті пройшла сертифікацію в Асоціації SD Card. Очікується початок масового виробництва серії товарів на основі нової розробки методами звичайної КМОН-те хнології з використанням стандартної сировини і устаткування. З опису винаходу до [патенту РФ 2245584, МПК7: G11C11/22, опубл. 01.27.2005] відомий пристрій тривимірного зберігання даних, який містить кілька складених у стопу шарів, кожний з яких у свою чергу містить незалежний запам'ятовуючий пристрій. Прототипом пристрою, що заявляється, є пристрій, відомий з публікації [RU 2002128022, МПК7: G11C11/4193, опубл. 02.20.2004], що містить засіб для забезпечення можливості адресації, який разом із одним чи кількома об'ємними елементами утворює частину двовимірної або тривимірної матриці, а об'ємний елемент містить одну або більше комірок, що залежно від електронних або електричних властивостей матеріалу комірки мають здатність зберігання даних, в якому вказані матриці виконані у вигляді стопи, причому пристрій утворює об'ємну структур у на основі стопи матриць для зберігання даних. Спільним недоліком перерахованих ви ще технічних рішень є те, що їх просторова структура отримана шляхом пошарового розташування планарних модулів пам'яті. Крім того, кожна запам'ятовуюча комірка здатна запам'ятати лише один біт інформації у вигляді одного з двох логічних станів. Задачею винаходу є створення запам'ятовуючого пристрою, що складається з принципово багатовимірних просторових запам'ятовуючи х комірок, здатних приймати декілька логічних станів. Крім того, задачею винаходу є розробка способу запису і зчитування інформації в такому просторовому запам'ятовуючому пристрої. Поставлена задача вирішена в просторовому запам'ятовуючому пристрої, що містить запам'ятовуючі комірки, адресні шини, інформаційні шини, а також пристрої керування і адресації, згідно з винаходом вирішена тим, що кожна запам'ятовуюча комірка виконана у вигляді просторового вузла, в якому орієнтовані в просторі у різних напрямах шини сходяться з дотриманням ізоляції між ними, кількість шин вузла дорівнює 3 або більше, а між кожною парою шин просторового вузла приєднаний щонайменше один здатний зворотно або незворотно змінювати свій фізичний стан під зовнішнім впливом функціональний елемент у разі потреби з урахуванням його неоднорідних за напрямками властивостей, причому функціональні елементи виконані і приєднані з можливістю в результатному або в зміненому фізичному стані індукувати зб уджений стан однієї шини на іншу шину. Пристрій, що запам'ятовує,- може містити довільну кількість просторових запам'ятовуючи х комірок у напрямі будь-якої з шин з утворенням решітчастої просторової структури. На відміну від відомих з рівня техніки просторових запам'ятовуючи х пристроїв, отриманих стапелюванням планарних по суті стр уктур, запам'ятовуючий пристрій згідно з винаходом містить запам'ятовуючі комірки, які принципово мають просторову структур у і здатні мати кількість логічних станів, залежну від кількості шин, а також від кількості і виду функціональних елементів. Характерною особливістю заявленого запам'ятовуючого пристрою є те, що запам'ятовуючі комірки можуть бути реалізовані не тільки методами традиційної технології мікросхемотехніки, при використанні якої функціональні елементи є такими електронними елементами, як плавкі перемички, діоди, транзистори, але також з використанням інших середовищ - оптичного, магнітного; при цьому функціональними елементами можуть служити, наприклад, мікродзеркала, котушки індуктивності і т.п. Згідно з переважною формою здійснення винаходу в запам'ятовуючих комірках використані енергонезалежні функціональні елементи. Прикладами простих енергонезалежних функціональних елементів можуть бути плавкі перемички і діоди. Проте на їх основі можуть бути реалізовані лише постійні, одноразово записувані запам'ятовуючі пристрої. При використанні як функціональних елементів польових транзисторів у режимі електронного ключа можна говорити про «відновлювані перемички», що дозволяє перепрограмувати запам'ятовуючий пристрій. А при використанні польових транзисторів з плаваючим затвором реалізується комбінація властивостей перепрограмування і енергонезалежності запам'ятовуючого пристрою. З метою подальшого збільшення кількості станів, яку може мати запам'ятовуюча комірка, згідно з винаходом паралельно щонайменше одному з функціональних елементів з неоднорідними за напрямками властивостями приєднаний функціональний елемент в зустрічному напрямі. Стосовно способу задача вирішена тим, що у способі запису і зчитування інформації у просторовому запам'ятовуючому пристрої, при якому запис інформації здійснюють побітно шляхом зміни станів кожної запам'ятовуючої комірки, а зчитування інформації здійснюють послівно, згідно з винаходом при здійсненні запису відповідно до певного протоколу, що відображає відповідну записуваній інформації конфігурацію запам'ятовуючи х комірок, між вибраними адресною та інформаційною шинами вибраного просторової запам'ятовуючої комірки, прикладають вибрану зовнішню дію, достатню для зворотної або незворотної зміни фізичного стану щонайменше одного функціонального елемента, причому як адресні шини та інформаційні шини використовують будь-які шини просторового запам'ятовуючого пристрою, причому операцію запису здійснюють при необхідності для всіх комбінацій шин, а при здійсненні зчитування сигналом збудження, залежним від структури запам'ятовуючи х комірок, впливають щонайменше на одну шину, використовувану як адресна, і здійснюють реєстрацію залежних від станів функціональних елементів станів однієї комірки або одночасно декількох або одночасно всіх комірок, розташованих на підданих збудженню шинах, шля хом визначення рівнів сигналів, що індукуються сигналом збудження на декількох або на всіх використовуваних як інформаційні шинах, що «перетинають» збуджені комірки, причому як адресні шини та інформаційні шини використовують будь-які шини просторового запам'ятовуючого пристрою. При застосуванні цього способу запису і зчитування реалізується здатність просторових запам'ятовуючих комірок мати кілька логічних станів завдяки тому, що кожна шина може виконувати функцію як адресної, так і інформаційної шини. Винахід ілюструється фігурами, на яких зображено: Фіг.1 Приклад тривимірного просторового вузла згідно з винаходом; Фіг.2 Приклад тривимірного просторового вузла згідно з винаходом із зустрічно приєднаними паралельними функціональними елементами; Фіг.3 Приклад тривимірного решітчастого просторового модуля пам'яті запам'ятовуючого пристрою згідно з винаходом. Опис винаходу доцільніше починати з пояснення структури і функціонування однієї просторової запам'ятовуючої комірки. На Фіг.1 зображена просторова запам'ятовуюча комірка, заради простоти і наочності пояснення представлена у вигляді тривимірного просторового вузла, що може бути реалізований методами тонкоплівкової технології. Вузол утворений трьома електропровідними ізольованими одна- від іншої шинами 1, 2, 3, орієнтованими, наприклад, уздовж осей прямокутної системи координат. Між кожною парою шин 1, 2, З приєднані функціональні елементи, наприклад, у вигляді діодів 4, 5, 6, які незворотно змінюють свій фізичний стан при записі, наприклад, внаслідок «пропалювання» плавких перемичок, включених послідовно з діодами. Такі функціональні елементи придатні для створення одноразово записуваних, постійних запам'ятовуючи х пристроїв - ПЗП. Використання такого просторового вузла як запам'ятовуючої комірки базується на здатності функціональних елементів індукувати сигнал на одній або декількох ізольованих одна від іншої шинах вузла, використовуваних як інформаційні шини, при подачі сигналу збудження, наприклад, напруги, на одну з шин вузла, використовувану як адресна шина. Так, наприклад, у разі загальновідомих з рівня техніки планарних постійних запам'ятовуючих пристроїв в яких запам'ятовуюча комірка утворена вузлом з двома ізольованими одна від іншої електропровідними шинами, сполученими плавкою перемичкою, кількість можливих станів вузла (кількість біт записаної в комірці інформації) дорівнює 1. Цей стан може відповідати логічній одиниці або логічному нулю залежно від наявності або відсутності перемички, що «пропалюється» при програмуванні. У разі трьох шин кількість можливих станів збільшується до 3. У загальному випадку кількість М біт інформації, які можна записати в багатовимірній запам'ятовуючій комірці, утвореній N шинами, дорівнює: M=((1+(N-1))*(N-1))/2 При використанні діодів як функціональних елементів з неоднорідними за напрямками властивостями кількість можливих станів просторового вузла, а, значить, і можлива кількість біт інформації, записаних у запам'ятовуючій комірці, збільшується втричі, оскільки, наприклад, для пари шин 1, 3, між якими включений діод 4, при подачі сигналу збудження, відповідного логічній «1», на використовувану як адресна шину 1 на використовуваній як інформаційна шині 3 індукується (передається через діод) сигнал, відповідний логічній «1», тоді як при подачі на використовувану як адресна шину З сигналу збудження, відповідного логічній «1», на використовуваній як інформаційна шині 2 індукується сигнал, відповідний логічному «0». З метою подальшого збільшення кількості можливих станів відповідної винаходові запам'ятовуючої комірки паралельно щонайменше одному з діодів 4, 5, 6 просторового вузла приєднаний щонайменше один додатковий діод 7, 8, 9 в з устрічному напрямі (Фіг.2). В цьому випадку для кожної пари 1-2, 1-3, 2-3 шин 1, 2, 3 кількість можливих станів збільшується в два рази. Дійсно, при подачі, наприклад, на використовувану як адресна шину 3 сигналу збудження, відповідного логічній «1», на використовуваній як інформаційна шині 1 індукується сигнал, відповідний логічній «1». Одночасно у разі потреби може бути зареєстрований сигнал логічної «1», індукований таким сигналом зчитування на шині 2. Прикладом функціонального елементу, що зворотно змінює свій фізичний стан, може бути польовий транзистор, зокрема транзистор з плаваючим затвором. У першому випадку на базі таких просторових вузлів може бути реалізований перепрограмовуваний запам'ятовуючий пристрій, з електричним записом/зчитуванням, а в другому-енергонезалежний перепрограмовуваний запам'ятовуючий пристрій з електричним записом/зчитуванням. При виконанні функціональних елементів у вигляді послідовного сполученого діода і транзистора з'являється можливість перепрограмування запам'ятовуючої комірки із збільшеною кількістю можливих станів. Відповідний винаходу просторовий запам'ятовуючий пристрій містить довільну бажану кількість просторових запам'ятовуючи х комірок у напрямі будь-якої з шин з утворенням решітчастої просторової структури. На Фіг.3 як приклад наведена структура простого - тривимірного - просторового модуля пам'яті, що містить просторові запам'ятовуючі комірки, утворені шинами, з яких як приклад позначені згадані вище шини 1, 2, 3. Наведений вище приклад тривимірного здійснення винаходу методами напівпровідникових те хнологій не є вичерпним і не обмежує об'єму правової охорони заявленого запам'ятовуючого пристрою. Згідно з винаходом шини і/або функціональні елементи можуть бути також оптичними і/або магнітними елементами. При цьому як шини можуть бути використані, наприклад, світловоди або електропровідні доріжки відповідно, а як функціональні елементи - наприклад, мікродзеркала і мікрокотушки індуктивності відповідно. У загальному випадку шини можуть- бути орієнтовані уздовж осей косокутної системи координат, кількість яких може бути довільною і обмежується лише технологічними можливостями реалізації. При цьому утворюються запам'ятовуючі комірки із залежною від кількості шин інформаційною місткістю. В цьому випадку трансляційна симетрія запам'ятовуючих комірок приводить до утворення фрактальної структури всієї пам'яті. Відповідний винаходові спосіб запису і зчитування інформації в просторовому запам'ятовуючому пристрої дозволяє реалізувати закладені в просторовій структурі запам'ятовуючої комірки можливості збільшення об'єму записаної інформації. При цьому функції, які виконують шини (адресні чи інформаційні) залежать від режиму роботи запам'ятовуючого пристрою (запис чи зчитування). Тобто, як при записі, так і при зчитуванні може бути здійснена функціональна інверсія шин - кожна з них може бути як адресною, так і інформаційною. Завдяки цьому при використанні в запам'ятовуючих комірках функціональних елементів з неоднорідними за напрямками властивостями досягається збільшення кількості станів, які можуть бути зчитані з шин, використовуваних як інформаційні. При дії сигналу зчитування/збудження на всі шини вибраної умовної площини надається можливість одночасного зняття інформації з однієї або одночасно з декількох умовних площин, утворених інформаційними шинами, що перетинають збуджені комірки. Оскільки у відповідному винаходові запам'ятовуючому пристрої рівні сигналів, що знімаються з інформаційних шин, визначаються не лише фізичними станами запам'ятовуючих комірок, але також і рівнями поданих на адресні шини сигналів зчитування/збудження, надається можливість збільшення інформаційної місткості запам'ятовуючого пристрою шляхом" встановлення відповідності між декількома фіксованими рівнями сигналів збудження і вихідних сигналів. При цьому як сигнал збудження, так і інформаційний сигнал можуть мати як позитивну, так і негативну полярність або поляризацію. При цьому кількість рівнів може визначатися, наприклад технологічними можливостями реалізації, розрізняльною здатністю вхідних і вихідних пристроїв і/або, наприклад, електричною міцністю шин і функціональних елементів. Якщо кількість рівнів сигналів дорівнює В, то при однонаправленому включенні елементів у тривимірному просторовому запам'ятовуючому пристрої інформаційна місткість однієї запам'ятовуючої комірки в бітах дорівнює: M=3*log2B. При двонаправленому включенні функціональних елементів місткість однієї запам'ятовуючої комірки в бітах дорівнює: М = 6*log2(B). Очікуваний технічний результат здійснення винаходу полягає у 1. збільшенні об'єму інформації, записаної в запам'ятовуючому пристрої; 2. збільшенні швидкодії за рахунок можливості одночасного зчитування даних зі всіх шин, що належать декільком площинам; 3. зменшенні загальної кількості шин запам'ятовуючого пристрою. Реалізація винаходу орієнтована не тільки на сучасний рівень розвитку технології виробництва запам'ятовуючи х пристроїв і використовуваної елементної бази. Завданням винаходу є також стимулювання розвитку (вдосконалення) об'ємних технологій виробництва і об'ємних пристроїв мікроелектроніки.