Будущее ДОЗУ

Будущее ДОЗУ

Выпуск 10 (6709) от 28 мая 2020 г.
РУБРИКА: МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

В период с 1986 по 2000 гг. производительность процессоров увеличивалась ежегодно на 55%, а производительность подсистемы памяти – ​всего на 10%. Это явление, ставшее узким местом развития и процессоров, и вычислительных систем в целом, получило название «стена памяти» (memory wall). Развитие высокопроизводительных систем снова поставило в центр внимания разработчиков перспективы дальнейшего развития ДОЗУ – ​и в частности, их замены другими технологиями запоминающих устройств.

С развитием технологий и средств искусственного интеллекта (ИИ) память снова стала одним из наиболее значимых узких мест. Средства ИИ предъявляют спрос как на емкость памяти, так и на ее пропускную способность. Для поддержания позиций ДОЗУ могут потребоваться дальнейшее масштабирование, совершенствование методик корпусирования и даже радикальные инновации в области одноразрядных ячеек. Очевидная тактика удовлетворения требований к емкости памяти – ​масштабирование ДОЗУ. Однако здесь разработчики могут столкнуться с ограничениями, для преодоления которых потребуются новые подходы. Ранее предел масштабирования ДОЗУ уже предсказывали – ​более 10 лет назад в «Международной технологической маршрутной карте развития полупроводниковых приборов» (International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS) утверждалось, что пределом масштабирования ДОЗУ станет 90-нм технологическое поколение, но пророчество не сбылось: сейчас вполне успешно выпускаются ДОЗУ технологического уровня 16 нм (1z)

Существует несколько разновидностей ДОЗУ, привлекательных для различных приложений, даже в рамках ИИ. Для машинного обучения (ML) наилучшим выбором представляется память с высокой пропускной способностью (high-bandwidth memory, HBM). Она соответствует концепции «больше, чем Мур» и относительно проста – ​путем этажирования отдельных кристаллов памяти создается блок с намного большей удельной емкостью. Этот относительно новый подход обладает и своими недостатками, но производители ML-оборудования готовы с ними мириться.

В дополнение к обычной DDR-памяти появились варианты GDDR (первоначально созданная для графики) и LPDDR (память с низкой потребляемой мощностью). Эти два типа используются в таких приложениях, как формирование логических выводов в краевых вычислениях и перспективные системы помощи водителю (advanced driver-assist systems, ADAS), где требуется баланс емкости, времени ожидания, пропускной способности, потребляемой мощности и цены.

Привлекательности ДОЗУ добавляют такие характеристики, как симметричность операций считывания–записи, приемлемая потреб-ляемая мощность и неограниченный срок службы. К ним можно добавить еще несколько очевидных плюсов:

содержимое легко доступно на байтовом уровне;

время доступа относительно мало;

благодаря операциям обновления данные могут храниться бесконечно – ​пока включено питание;

ДОЗУ – ​зрелая технология крупносерийного производства, поэтому издержки производства значительно снижены.

Все это создает высокий входной барьер для любой другой технологии или подхода, претендующих на конкуренцию с ДОЗУ. Многие отраслевые специалисты указывают, что по соотношению функциональности и цены ДОЗУ пока не имеют себе равных. Во всяком случае пока ДОЗУ не перестанут масштабироваться.


Масштабирование ДОЗУ

В основе всех вариантов ДОЗУ лежит базовая одноразрядная ячейка – ​конденсатор. ДОЗУ, по сути, представляет собой аналоговую схему, а аналоговые ИС масштабируются хуже цифровых. Масштабирование – ​пропорциональное уменьшение размеров – ​означает и уменьшение размера конденсатора. Соответственно, в каждом конденсаторе остается меньше электронов, что делает состояние одноразрядной ячейки менее устойчивым. Поэтому ключевой вопрос в том, чтобы найти способ хранить в конденсаторе, занимающем меньшую площадь, больше электронов.

Одним из первых изменений, открывших такую возможность, стало создание вертикального конденсатора вместо горизонтального. Основная поверхность конденсатора была перемещена в вертикальное положение, благодаря чему стало можно наращивать его емкость без увеличения площади на поверхности кристалла. Но этот подход имеет свои пределы. Сейчас аспектное отношение (соотношение высоты и ширины) конденсатора одноразрядной ячейки ДОЗУ (рис. 1) составляет 30:1. Заметим, что аналогичное соотношение небоскреба Бурдж-Халифа в эмирате Дубай впятеро меньше – ​6:1.

Для увеличения емкости конденсаторов необходимо увеличивать аспектное отношение, при этом опорная площадь конденсаторов может сокращаться. Для этого применяются материалы с высокой диэлектрической проницаемостью, позволяющие наращивать удельную емкость конденсаторов (за счет увеличения 


                                                                                                         

Источник: Semiconductor Engineering

Рисунок 1. Упрощенное изображение конденсатора одноразрядной ячейки ДОЗУ (не в масштабе – у перспективных приборов аспектное отношение может быть вдвое большим, чем показано на рисунке)


емкости на единицу площади), но работать с такими материалами гораздо сложнее.

Технология ДОЗУ опровергла уже немало прогнозов относительно пределов ее развития. Масштабирование разных уровней процесса одного и того же технологического уровня, от 1α и 1β (или 1x и 1y, как было указано выше) до 1γ (1z), в целом может занять до шести лет с полутора-двухгодичными промежутками между уровнями. Кроме того, технология HBM также обеспечивает большую емкость одноразрядной ячейки, а поскольку затраты на этажирование падают, это может стать еще одним вариантом продления срока использования технологии ДОЗУ.

Еще один важный параметр помимо емкости – ​пропускная способность. По данным корпорации Rambus, уже несколько десятилетий специализирующейся на технологиях памяти, этот показатель удваивается каждые пять-шесть лет. Увеличение пропускной способности, с одной стороны, позволяет ускорять извлечение контента, а с другой – ​делает межсоединения более чувствительными к конструкции. Теперь важным вопросом при передаче сигналов внутри и вне памяти становится целостность сигнала. Кроме того, скорость передачи данных тоже обостряет проблему потребляемой мощности. Основной фактор, влияющий на потребляемую мощность ML-систем, – ​перемещение данных, поэтому достижение большей пропускной способности должно сопровождаться усилиями по поддержанию потребляемой мощности на как можно более низком уровне.

Повысить эффективность использования имеющихся схем памяти также помогает изменение архитектур, отчасти по экономическим соображениям. Так, поставщики мобильных телефонов перешли от применения флэш-памяти NOR-типа и СОЗУ к флэш-памяти NAND-типа и ДОЗУ. Проектирование и конструкция усложняются, но благодаря низким ценам на флэш-память NAND-типа и ДОЗУ это остается приемлемым.

В то время как подобные подходы позволяют расширить использование ДОЗУ, другой подход действует в противоположном направлении. Оказалось, что более приемлемое среднее время ожидания может быть достигнуто не только путем добавления более быстродействующей памяти, такой как ДОЗУ, но и путем добавления к ней памяти с меньшим быстродействием (такой как флэш-память). Это на первый взгляд парадоксальное и интуитивно не понятное явление требует отдельного рассмотрения.

Несмотря на все вышеизложенные соображения, спрос на ДОЗУ в обозримом будущем, по-видимому, не ослабнет. Остается открытым вопрос, как долго может продолжаться масштабирование ДОЗУ и что произойдет после того, как возможности масштабирования будут исчерпаны.


Новый подход к этажированию

При формировании HBM используются современные методы этажирования кристаллов. Недавно корпорация Tezzaron разработала еще один подход к этажированию, обладающий рядом преимуществ. Хотя Tezzaron не специализируется на схемах памяти и предложенная ею технология не связана с памятью непосредственно, в качестве средства разработки нового подхода специалисты корпорации использовали ДОЗУ.

Проблема при формировании HBM заключается в том, что пластины перед этажированием размещаются в определенной последовательности. Это делается для того, чтобы обеспечить этажирование только годных кристаллов, и кристаллы должны быть относительно толстыми, чтобы выдерживать подачу и перемещение пластин при манипуляциях. Поэтому для формирования межсоединений между кристаллами этажерки применяется технология сквозных межслойных переходных отверстий (TSV).

В то время как одноразрядные ячейки ДОЗУ имеют тенденцию к достижению очень высоких аспектных отношений, межсоединения обычно показывают наилучшие показатели при аспектном отношении около 10:1. Для поддержания физической жесткости пластина не может быть тоньше 100 мкм, следовательно, ширина TSV должна быть порядка 10 мкм. Для заполнения подобных TSV нужна медь (другие металлы не способны проникать на такую глубину), коэффициент теплового расширения (TCE) которой существенно отличается от TCE окружающего TSV кремния. Поэтому при изменении температуры в кремнии может возникать значительная напряженность, вполне достаточная, чтобы суметь изменить поведение любых критических транзисторов, расположенных в этой области. По этой причине вокруг каждого TSV устанавливаются «запретные зоны» размером в несколько десятков микрон, в которых схемотехника не формируется. При этом шаг TSV имеет тот же порядок величины.

Подход корпорации Tezzaron реализуется на уровне пластин, а не кристаллов. Первые две пластины соединяются лицевыми сторонами с помощью гибридного соединения «медь–медь». Первой образуется оксидная связь, которая обеспечивает соединение механическим сжатием для получения металлических медных соединений. Самая интересная особенность заключается в том, что до отжига оксидная связь слаба. Это позволяет проверить совмещение элементов и совершить необходимые изменения, если первая попытка окажется неудовлетворительной. Метод не подразумевает использования заполнителей, припоев или клеев. Молекулярная связь образуется между SiO2 и медными соединениями на обеих пластинах.

Итак, первый этап реализации подхода корпорации Tezzaron дает этажерку из двух пластин. Одна сторона этой этажерки – ​тыльная сторона одной из первоначальных пластин – ​затем утоняется примерно до 10 мкм. Такая структура была бы крайне неустойчивой механически, если бы не соединялась с более толстой структурой, придающей ей прочность. По утверждениям специалистов Tezzaron, утонение не оказывает никакого влияния на целостность соединения. Операция повторяется с другими двумя пластинами, в результате чего получаем две двухпластинные этажерки. Затем эти этажерки соединяются утоненными сторонами (по отношению к первоначальным пластинам это соединение тыльными сторонами) для получения этажерки из четырех пластин. Этот процесс утонения и дальнейшего этажирования можно повторять сколько потребуется. По завершении процесса этажерку пластин можно разрезать на кристаллы, которые теперь обладают достаточной толщиной для обеспечения механической стабильности. В конечном итоге этажерка из четырех кристаллов может иметь ту же толщину, что и стандартный кристалл (рис. 2).

Очевидно, что наряду с формированием соединений между кристаллами лицевых сторон пластин необходимо формирование связей между кристаллами через тыльные стороны пластин. В случае толстых кристаллов такие связи формируются при помощи TSV, но поскольку при реализации подхода корпорации Tezzaron кристаллы намного тоньше, был разработан подход формирования существенно меньших, чем TSV, межслойных соединений – ​«суперконтактов» (supercontacts) (рис. 3). При аспектном отношении 10:1 на кристалле толщиной 10 мкм диаметр сквозного отверстия составляет 1 мкм – ​гораздо меньше, чем в случае TSV. А поскольку подобный контакт очень неглубок, использование меди необходимостью не является – ​вместо нее можно использовать вольфрам, гораздо более термически совместимый с кремнием. Появляются сразу два преимущества – ​отпадает необходимость в «запретных зонах», а шаг между такими отверстиями («суперконтактами») может уменьшен до 3 мкм.

Это означает, что «суперконтакты» можно размещать в любом месте кристалла, в том 



Источник: Semiconductor Engineering

Рисунок 2. Процесс этажирования (a) начинается с прикрепления двух пластин друг к другу лицевыми поверхностями (б) и формирования единой молекулярно-связанной структуры, а затем уменьшения толщины одной стороны шлифованием (в) для раскрытия «суперконтактов». Далее две подобных структуры объединяются тыльными сторонами (г) для формирования единой четырехпластинной этажерки (д), толщина которой будет соответствовать толщине стандартной пластины


числе и в пределах схем. В результате, в зависимости от потребностей приложения, при использовании метода корпорации Tezzaron можно сформировать в 100–1000000 раз больше соединений, чем с помощью TSV. Кроме того, поскольку формируется один большой молекулярно-связанный кристалл, тепло изнутри рассеивается через всю его массу, а не только через TSV и металлические теплопроводы.

При склеивании пластин уже невозможно работать только с заведомо годными кристаллами. Таким образом, все более важным фактором становится выход годных. Практика показывает, что он не бывает стопроцентным – ​все кристаллы в той или иной степени нуждаются в восстановлении, но пока качество кристалла остается в пределах диапазона ремонтопригодности, можно достичь разумного показателя. Поскольку для связи между кристаллами может быть создано множество «суперконтактов», встроенные схемные средства самовосстановления не должны ограничиваться одним кристаллом. Специалисты Tezzaron утверждают, что чем больше этажируемых пластин, тем больше возможностей восстановления, тем выше выход годных (рис. 4).

Распределение пластин в этажерке отчасти вопрос архитектуры. Одноразрядные ячейки могут располагаться в одном слое, высокопроизводительная логика – ​в другом, а SERDES-соединения – ​в третьем. Применяя свое средство разработки под названием DiRAM, специалисты Tezzaron снизу размещают усилители считывания, реализованные 



Источник: Tezzaron

Рисунок 3. Изображение этажерки из восьми пластин, полученное при помощи сканирующего электронного микроскопа. В каждой из пластин насчитывается 10 слоев металлизации, таким образом, их общее число достигает 80


по логическому процессу, а в верхних слоях – ​одноразрядные ячейки, реализованные по процессу ДОЗУ.

Вполне возможно, что эта технология станет следующим шагом в момент, когда возможности масштабирования одноразрядных ячеек ДОЗУ будут исчерпаны. Можно ли начать применять ее раньше? Специалисты корпорации Tezzaron отмечают, что технология еще находится на стадии НИОКР и требует подтверждения концепции и доработки. Но ее безусловное преимущество в том, что для 



Источник: Tezzaron

Рисунок 4. Рост выхода годных по мере увеличения количества слоев этажерки


реализации не требуется новое оборудование, а сама технология не основана на каких-либо новых физических явлениях, благодаря чему барьер для ее принятия рынком намного ниже, чем мог бы быть в случае абсолютно нового подхода. 


Новая альтернатива ДОЗУ?

При наличии выбора между модернизацией существующей, хорошо известной технологии и принятием чего-то совершенно нового технологи всегда будут выбирать то, что известно. Более высокие риски приемлемы лишь тогда, когда все иные подходы исчерпаны. Технология ДОЗУ давно достигла зрелости, формируемые с ее использованием ИС производятся в колоссальных объемах с низкими издержками, что создает огромную инерцию рынка.

Общепринятая точка зрения состоит в том, что любая новая технология памяти должна совместить преимущества ДОЗУ и флэш-памяти NAND-типа (т. е. обладать быстродействием ДОЗУ и энергонезависимостью флэш-памяти NAND-типа), заняв пространство памяти класса хранилищ (storage-class memory). Замена DRAM полностью новой технологией – ​гораздо больший вопрос, хотя выпущенная корпорациями Intel и Micron 3D-память Crosspoint способна пробить брешь в продажах ДОЗУ.

Разработчики продолжают трудиться над новыми типами энергонезависимой памяти (non-volatile memory, NVM). Однако если цель состоит в том, чтобы заменить технологию ДОЗУ, а не дополнить ее, то большинству новых подходов свойственны некоторые фатальными недостатками. Для замены ДОЗУ должны сложиться необходимые предпосылки, главные из которых – ​невозможность дальнейшего совершенствования технологии, а также готовность и способность одного-двух поставщиков ИС наладить поточно-массовое изготовление одного или нескольких типов NVM, обеспечив при этом рентабельность производства на уровне не худшем, чем у ДОЗУ.

Один из разработчиков схем памяти, корпорация Nantero (Вобурн, шт. Массачусетс, США) пытается усовершенствовать технологию ДОЗУ за счет разработанной ею NVM-технологии с применением углеродных нанотрубок (УНТ) – ​ОЗУ на УНТ (NRAM, где N означает «нанотрубка»). Если NRAM смогут соответствовать основным характеристикам ДОЗУ – ​чего пока не удалось достичь ни одной из NVM, – ​тогда у этой технологии появятся хорошие перспективы развития. Но пока она только разрабатывается, и ей предстоит пройти долгий путь для достижения коммерческого успеха. У корпорации Nantero есть один лицензированный клиент, японская фирма Fujitsu, но она использует схемы NRAM как NVM, а не как ДОЗУ. По словам специалистов Fujitsu, причина заключается не в самой технологии, а в природе рынка ДОЗУ и опыте, приобретенном многими производителями схем памяти в данной области.

В основе технологии NRAM лежат атомные силы Ван-дер-Ваальса. На небольших расстояниях УНТ буквально связываются друг с другом, превращая случайную массу нанотрубок в проводник между электродами. При нарушении связи УНТ эта проводимость также нарушается. Формирование соединений обуславливается электростатикой, а приложенное напряжение их согласовывает. Такие соединения разрываются тепловыми колебаниями, создаваемыми противоположным напряжением.

Надо отметить, что хотя масса УНТ может быть достаточно толстой, на самом деле переключение осуществляется только в нижнем слое толщиной в несколько ангстремов. Иными словами, данная методика нечувствительна к толщине. Проблема заключается в тенденции проникновения металла электродов в область УНТ, что вызывает короткое замыкание ячейки памяти. Именно это стало 



Источник: Nantero

Рисунок 5. Схематическое изображение одноразрядной ячейки NRAM. УНТ 1-го типа совмещены (выровнены) таким образом, чтобы предотвратить миграцию металла в ячейку. УНТ 2-го типа осуществляют переключение


причиной неудачи попыток корпораций IBM и Samsung добиться переключения состояния всей ячейки. Разработчики Nantero решили проблему, введя второй слой УНТ другого типа (рис. 5). Переключающий слой представляет собой массу случайно сплетенных УНТ, в то время как верхний слой состоит из УНТ, выровненных в одном направлении (параллельно слою металлизации). Этот слой действует как барьер для металла, защищающий ячейку памяти.

В ходе производственного процесса УНТ наносятся на пластину методом центрифугирования, затем полученный слой травится для изолирования отдельных ячеек. В целях оптимизации производительности можно осуществлять этажирование нескольких слоев одноразрядных ячеек, получая коммутационную матрицу. Получаемые элементы-чешуйки (элементы мозаичного разбиения) УНТ формируются с длиной, шириной и высотой, которые обеспечивают желаемую производительность – ​в данном случае (рис. 6) соответствующие временным параметрам интерфейса DDR4. Полученный мозаичный элемент может воспроизводиться необходимое для достижения желаемой общей емкости количество раз. В рассматриваемом случае сформирована четырехслойная схема памяти DDR4.

В настоящее время разница сопротивления между возбужденным (установленным – ​«1») и исходным («0») состояниями составляет около 10:1. Специалисты Nantero работают над ее увеличением до 30:1. Достижению этой цели помогает масштабирование размера ячейки, так как увеличивающееся сопротивление позволяет считывать содержимое при помощи меньшего тока. Разработчикам Nantero удалось смоделировать ячейки памяти шириной до 2 нм.

Основная ячейка NRAM – ​однорезисторная (1R – ​только один резистор), но возможно также создание ячеек с селекторными транзисторами – ​1T1R (рис. 7). Транзисторы будут 



Источник: Nantero

Рисунок 6. Четырехслойная коммутационная матрица


расположены в нижележащем слое кремния, межсоединения от них будут выходить на одноразрядные УНТ-ячейки. Это обеспечит скорость переключения 5 нс независимо от размера памяти. Иными словами, существует возможность создания структуры с плотностью расположения элементов в 16 раз большей, чем у ДОЗУ, при одинаковом быстродействии. Более того, возможно увеличить скорость передачи данных за счет использования ячеек 1T2R и дифференциального восприятия тока. Но такой подход ориентирован на высокопроизводительные приложения, для которых приемлемо неизбежное увеличение стоимости.

Хотя проблема срока хранения данных нетипична для энергонезависимой памяти, разработчики Nantero утверждают, что их NRAM могут хранить данные в течение сотен или тысяч (даже десятков тысяч) лет. Как известно, ДОЗУ обладают практически неограниченным сроком службы. Схемы NRAM от Nantero были 



Источник: Nantero

Рисунок 7. Конфигурация 1T1R, наиболее подходящая для малых матриц (по мнению специалистов Nantero)



Источник: Nantero

Рисунок 8. 64-Кбит элементы (чешуйки), упорядоченные в 16-Гбит схему памяти


протестированы в течение 1013 циклов записи, при этом ухудшения рабочих характеристик отмечено не было (при скорости 1000 операций записи в секунду 1013 циклов записи будут осуществлены примерно за 300 лет).

Если эта технология проявит себя, она может привнести интересную динамику на рынок ДОЗУ – ​особенно как NVM-претендент в секторе памяти класса хранилищ. Интересно, что специалисты фирмы Nantero называют свое детище хранилищем класса памяти (memory-class storage). Отраслевые эксперты предрекают новой технологии многообещающие перспективы. Однако инерция, противодействующая вытеснению ДОЗУ в краткосрочной перспективе, весьма существенна. «Смерть» ДОЗУ (как и «смерть» КМОП-технологии) предсказывалась уже слишком часто (и ошибочно), чтобы предполагать, что она неизбежна в обозримом будущем.

Moyer Bryon. What Is DRAM’s Future? Semiconductor Engineering, April 9, 2020: https://semiengineering.com/what-is-drams-future/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.
Выпуск 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.