Тенденции развития технологий памяти

Тенденции развития технологий памяти

Выпуск 19(6693) от 26 сентября 2019 г.
РУБРИКА: МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

В настоящее время на рынке присутствует несколько типов памяти следующего поколения. Это магнитные (магниторезистивные) ОЗУ (MRAM), память на эффекте изменения фазового состояния (PCM) и резистивные ОЗУ (ReRAM). Некоторые из новых перспективных типов памяти являются их продолжением, другие основаны на архитектурных изменениях, предполагающих проведение вычислений в непосредственной близости к памяти или в самой памяти. Чтобы довести результаты НИОКР до освоения в производстве, потребуется преодолеть ряд технологических и экономических проблем, поэтому не все новые типы памяти окажутся удачными.

После многих лет НИОКР на рынок вышло несколько типов схем памяти следующего поколения, еще несколько по-прежнему находятся в стадии разработки. Некоторые из подобных ИС достаточно перспективны и рассматриваются как альтернатива современным ДОЗУ, СОЗУ и схемам флэш-памяти NAND-типа.

Среди схем памяти следующего поколения обычно выделяют:

сегнетоэлектрические полевые транзисторы (FeFET) или сегнетоэлектрические ОЗУ (FeRAM) – ​следующее поколение сегнетоэлектрических ЗУ;

ОЗУ на натотрубках (nanotube RAM) – ​на протяжении многих лет НИОКР в области ОЗУ на нанотрубках были нацелены на замену этими приборами ДОЗУ;

память на эффекте изменения фазового состояния (phase-change memory, PCM) – ​после поставок первых PCM-приборов корпорация Intel готовит их новую версию, а ряд других производителей ИС готовятся выйти на рынок PCM;

резистивные ОЗУ (ReRAM) – ​будущие версии данных приборов предназначены для применений в области искусственного интеллекта;

магнитные ОЗУ на эффекте спин-орбитального момента (spin-orbit torque MRAM, SOT-MRAM) – ​следующее поколение MRAM, предназначенное для замены СОЗУ.

Также ведутся работы по созданию трехмерной памяти. Например, идут разработки 3D-СОЗУ, в которых этажерка (стек) кристаллов СОЗУ размещается на логическом приборе. Такие схемы призваны заменить планарные СОЗУ.

Хотя некоторые новые типы схем памяти появляются на рынке, отраслевые специалисты затрудняются предсказать, что будет дальше. Подобные ИС приобретают все большую популярность, однако по-прежнему находятся на ранних этапах развития. На данный момент наиболее многообещающими считаются SOT-MRAM и FeRAM, при этом их пригодность и рыночная перспективность будут определяться главным образом экономическими параметрами.

Сейчас наблюдается своего рода «взрыв» новых типов ЗУ с новыми материалами, концепций ЗУ и технологий материалов. Соответственно, возникают проблемы с определением характеристик материалов и структур. Весьма вероятно, что темпы развития технологий и их фундаментального понимания будут зависеть от возможностей отраслевых специалистов определять характеристики, измерять, контролировать и совершенствовать уникальные материалы и структуры.

В целом, по мнению экспертов полупроводниковой промышленности, современные и следующие поколения перспективных схем памяти могут найти свои рыночные ниши, но доминировать на рынке ИС ЗУ в целом пока не будут. В ближайшие 10–15 лет существующие автономные (не встраиваемые) схемы ДОЗУ и флэш-памяти NAND-типа сохранят свои позиции.


Вопросы замены ДОЗУ, СОЗУ и флэш-памяти NAND-типа

Современные системы объединяют центральные и графические процессоры, а также память и хранилище, часто называемое иерархией памяти (хранилища). На первом уровне иерархии статические ОЗУ интегрированы в процессор для быстрого доступа к данным. ДОЗУ, следующий уровень, является отдельным и используется для основной памяти. Диски и твердотельные накопители (SSD) на основе NAND используются для хранения данных (см. рисунок).



Источник: Applied Materials

Новые и перспективные виды памяти для высокопроизводительного хранения и обработки данных

* SOT-MRAM (spin-orbit torque MRAM) – магнитное (магниторезистивное) ОЗУ на эффекте спин-орбитального момента.

** STT-MRAM (spin-transfer torque MRAM) – магнитное (магниторезистивное) ОЗУ на эффекте переключения спинового момента электрона.

*** MIMCAP – память с конденсаторами «металл–изолятор–металл».

****3D FeFET – 3D сегнетоэлектрические полевые транзисторы.


Разработчики ДОЗУ и схем флэш-памяти NAND-типа пытаются добиться того, чтобы их приборы соответствовали требованиям систем по пропускной способности и потреб-ляемой мощности. Технология ДОЗУ дешева, именно поэтому на протяжении многих лет новые технологические процессы отрабатывались на данных схемах. Недостатки ДОЗУ – ​сравнительно большая потребляемая мощность и энергозависимость, то есть потеря данных при отключении питания системы. Флэш-память NAND-типа дешева и энергонезависима – ​она сохраняет данные при завершении работы системы. В свою очередь, NAND и дисководы работают сравнительно медленно.

В течение многих лет отрасль искала «универсальную память», которая обладала бы достоинствами ДОЗУ и флэш-памяти, но не имела их недостатков. Сейчас на роль такой альтернативы претендуют магнитные (магниторезистивные) ОЗУ (MRAM), память на эффекте изменения фазового состояния (phase-change memory, PCM) и резистивные ОЗУ (ReRAM). Производители новых типов памяти делают смелые заявления – ​например, что STT-MRAM обладает скоростью СОЗУ и энергонезависимостью флэш-памяти при неограниченном сроке использования, а ReRAM – ​более быстрая и программируемая по единицам емкости по сравнению с NAND. Тем не менее перечисленные виды памяти следующего поколения по-прежнему не могут заменить ни одну из уже используемых технологий. Однако они могут объединить традиционные сильные стороны разных типов памяти для удовлетворения спроса на нишевых рынках, где в течение некоторого времени используются MRAM, PCM и ReRAM.

Итак, на массовом рынке ДОЗУ, NAND и СОЗУ остаются основными типами памяти. Но в сфере НИОКР отрасль работает над несколькими новыми технологиями, включая потенциальную замену СОЗУ. Как правило, процессорный блок объединяет центральный процессор, СОЗУ и множество других функций. СОЗУ хранит инструкции, которые нужны процессору для мгновенного доступа. Это называется кэш-памятью первого уровня. Иногда инструкций, запрашиваемых процессором из кэша первого уровня (L1), недостаточно. Поэтому в процессоры также интегрируют кэш-память второго и третьего уровня (L2, L3).

Кэш L1 на основе СОЗУ работает быстро, задержки составляют менее 1 нс. Однако СОЗУ занимает слишком много места на кристалле ИС и уже сегодня сталкивается с проблемами с точки зрения размера ячейки. По мере масштабирования и перехода к 7-нм топологиям размеры ячеек также должны становиться меньше.

За последние годы появилось несколько претендентов на замену СОЗУ. Один из них – ​магнитное (магниторезистивное) ОЗУ на эффекте переключения спинового момента электрона (STT-MRAM). STT-MRAM – ​это однотранзисторная архитектура с оперативной памятью на магнитных туннельных переходах (MTJ). Она использует эффект спин-орбитального момента электрона, чтобы обеспечить энергонезависимые свойства ИС. Функции записи и чтения осуществляются параллельно в ячейках на MTJ.

Корпорация Everspin, один из первых разработчиков SST-MRAM, уже поставляет эти приборы для твердотельных накопителей. Кроме того, несколько производителей микросхем сосредоточили усилия на разработках встраиваемых STT-MRAM, которые ориентированы как на замену встраиваемой флэш-памяти NOR-типа, так и на замену кэш-памяти третьего уровня, где обычно применяется СОЗУ. Кроме того, схемы STT-MRAM изучаются на предмет более плотного встраивания в «системы-на-кристалле» (SoC), где меньший размер ячейки, более низкие требования к энергопотреблению в режиме ожидания и энергонезависимость предлагают выгодное решение по сравнению с гораздо большими по размеру и энергозависимыми СОЗУ.

Однако STT-MRAM пока обладают недостаточным быстродействием, чтобы заменить СОЗУ для кэша L1 или L2. Отмечаются и проблемы с надежностью. Считается, что для STT-MRAM время доступа составит от 5 до 10 нс. Соответственно, разработчики рассматривают возможность использования в кэшах первого и второго уровней магнитных (магниторезистивных) ОЗУ на эффекте спин-орбитального момента (SOT-MRAM). В SOT-MRAM используются два канала: один для записи и один для чтения. Для подключения используется магнитный туннельный переход. Считается, что у схем SOT-MRAM больше ресурсов оптимизации, что способствует увеличению срока службы. Второе преимущество SOT-MRAM – ​большее, чем у STT-MRAM, быстродействие. По сравнению с СОЗУ схемы SOT-MRAM обладают такими потенциальными преимуществами, как более высокая плотность расположения элементов (возможность уменьшения размеров приборов) и более низкое энергопотребление, обусловленное энергонезависимостью. Разработка SOT-MRAM пока еще находится на стадии НИОКР. Специалисты отмечают, что пройдет несколько лет, прежде чем полупроводниковая промышленность определит, является ли данная технология жизнеспособной.

На стадии НИОКР находится разработка еще одной возможной замены СОЗУ – ​3D-СОЗУ. Кристаллы СОЗУ в этой схеме этажированы на процессоре, а их взаимосвязь осуществляется по TSV-технологии. Жизнеспособность такого подхода покажет время.


Претенденты на замену ДОЗУ

Как и в случае с СОЗУ, полупроводниковая промышленность годами пыталась заменить ДОЗУ. В современных вычислительных архитектурах данные перемещаются между процессором и ДОЗУ. Этот обмен может вызвать задержку и повышенное энергопотребление, которые иногда называют стеной памяти. ДОЗУ отстает в требованиях к пропускной способности, а масштабирование схем замедляется на технологическом уровне 10–19 нм.

Современные вычислительные архитектуры и приложения машинного обучения требуют больших объемов памяти. Вариантов несколько: продолжать использовать ДОЗУ, заменять ДОЗУ, пытаться внедрять ДОЗУ в модули памяти с высокой пропускной способностью или переходить на новую архитектуру. В данный момент как ДОЗУ, так и флэш-память NAND-типа трудно поддаются замене. Они дешевы, проверены и могут справиться с большинством задач, кроме того, для обоих имеются маршрутные карты будущих улучшений. Так, сегодня отрасль переходит от стандарта интерфейса DDR4 к следующему поколению – ​DDR5. Например, Samsung недавно представила мобильное ДОЗУ емкостью 12 Гбайт архитектуры DDR5 с малой потребляемой мощностью (LPDDR5). При скорости передачи данных 5500 Мбит/с прибор работает в 1,3 раза быстрее, чем ИС LPDDR4.

Следует отметить, что вскоре OEM-производители будут иметь и другой выбор памяти, кроме DDR5 ДОЗУ. Рабочая группа JEDEC (JC‑42.4) разрабатывает новую специ-фикацию DDR5 энергонезависимого ОЗУ (NVRAM), которая в конечном итоге позволит OEM-производителям вставлять различные новые устройства памяти в разъем DDR5 без изменений. Спецификация NVRAM охватывает память с углеродными нанотрубками, память с фазовым переходом, резистивную и теоретически магнитную память. Есть также возможность объединить все архитектуры.

Еще один новый тип памяти обретает все большую популярность – ​3D XPoint, представленная Intel в 2015 г. Она основана на технологии PCM, которая используется в твердотельных накопителях (SSD) и модулях памяти с двухрядным расположением выводов (DIMM). Хранение информации осуществляется за счет изменения аморфного состояния на кристаллическое и наоборот. Современные ИС 3D XPoint обладают двухслойной многоуровневой архитектурой и реализованы по 20-нм технологическому процессу, их емкость доходит до 128 Гбит. Впрочем, при всех своих достоинствах эта память пока не заменяет флэш-память NAND-типа или ДОЗУ.

Сейчас корпорации Intel и Micron совместно разрабатывают следующую версию PCM, которая появится в 2020 г. Ожидается, что схема 3D XPoint следующего поколения также будет реализована по 20-нм технологическому процессу, но число стеков может быть доведено до четырех, за счет чего ее емкость увеличится до 256 Гбит. Есть и другие сценарии: по мнению ведущих аналитиков Objective Analysis, в будущем 3D XPoint останется двухслойным устройством, но будет изготавливаться по 15‑нм процессу.

Пока PCM получает все большее признание, пусть и не во всех применениях, ряд технологий, таких как сегнетоэлектрические полевые транзисторы (FeFET), все еще находятся в стадии НИОКР. В ячейках памяти FeFET сегнетоэлектрический изолятор вставляется в стек затворов стандартного МОП полевого транзистора (MOSFET). По сравнению со стандартным диэлектриком – ​оксидом гафния (HfO2), используемым сегодня, сегнетоэлектрик на основе HfO2 демонстрирует постоянный дипольный момент, изменяющий пороговое напряжение транзистора энергонезависимым образом. При соответствующем выборе считываемых напряжений через транзистор либо протекает сильный ток, либо выбирается режим с малым потреблением тока (экономичный).

Считается, что FeFET будут выпускаться как во встраиваемом, так и в автономном исполнениях. Встраиваемые FeFET будут интегрироваться в контроллеры, а автономные приборы могут стать новым типом памяти или заменой ДОЗУ. FeRAM – ​хорошая альтернатива: она потребляет гораздо меньше энергии, чем ДОЗУ, однако требует повышения износостойкости.

Пока неясно, в каком направлении будут двигаться разработки FeFET, но некоторые проблемы уже появились. Ячейки памяти на основе сегнетоэлектрического HfO2 могут демонстрировать сохранение данных при температуре выше 250 °C, износостойкость (более 1010 циклов записи–чтения), скорость записи–чтения порядка 10 нс, сверхнизкое энергопотребление и масштабируемость за пределы возможностей технологии FinFET. Проблема в том, как объединить эти ячейки в приборы памяти и крупные массивы памяти (измеряемые миллионами ячеек), добившись при этом однородности работы ячеек.

Еще один перспективный тип памяти – ​ОЗУ на основе углеродных нанотрубок (NRAM). Над ними в течение многих лет работает фирма Nantero, пытаясь создать встраиваемые схемы памяти и автономные приборы, призванные заменить ДОЗУ. Исследования по-прежнему находятся в стадии НИОКР, но опытные образцы NRAM от Nantero работают быстрее, чем ДОЗУ, и энергонезависимы, как флэш-память. Однако их проектирование и запуск в производство займут больше времени, чем ожидалось. Предполагается, что первый покупатель NRAM, фирма Fujitsu, в 2019 г. закупит образцы разработок, а в 2020 г. начнет их производство.

Углеродные нанотрубки используются и при разработке других типов памяти. В 2017 г. Управление перспективных исследовательских проектов МО США (DARPA) приступило к реализации нескольких программ, в том числе программы создания трехмерных «систем-на-кристалле» (3DSoC) с участием Массачусетского технологического института, Стэнфордского университета и фирмы SkyWater. Цель программы – ​разработка монолитных 3D-устройств, в которых резистивные ОЗУ (ReRAM) размещаются поверх логических приборов на основе углеродных нанотрубок (УНТ). Данная технология только разрабатывается. Она не предназначена для замены ДОЗУ, а попадает в категорию так называемых вычислений в памяти. Задача – ​сблизить функции памяти и логики для устранения узких мест систем, связанных с памятью. Первый прибор предполагается выпустить к концу 2019 г., а начало производства с запуском многопроектных пластин5 намечено ближе к 2021 г. Производством ИС займется фирма SkyWater – ​она будет изготавливать их по 90-нм процессу на 200-мм пластинах. Архитектура 3DSoC включает в себя несколько уровней транзисторов на основе УНТ как n-, так и p-типов, что позволяет применять КМОП-технологию. УНТ формируются с использованием процесса осаждения. Проблема в том, что нанотрубки в данном процессе подвержены изменениям и смещениям.

Еще одна важная проблема – ​чистота УНТ. В исходном материале присутствует много вариантов УНТ. Часть программы 3DSoC заключается в повышении чистоты исходного материала, что позволяет получать одностенные полупроводниковые УНТ высокой чистоты. Проблемы интеграции УНТ в качестве транзистора связаны с изменчивостью параметров и стабильностью работы.

Технология станет перспективной, если реально заработает. С помощью 90-нм трехмерного процесса разработчики желают превзойти 7-нм планарную технологию. Это позволит решить проблемы сложности, производительности и стоимости.


Память на основе ИИ

В течение многих лет технология ReRAM рекламировалась как замена флэш-памяти NAND-типа. Но использование NAND-флэш продлилось дольше, чем считалось ранее, что заставило многих изменить планы относительно ReRAM. Сегодня одни разработчики работают над встроенным ReRAM, другие разрабатывают автономный ReRAM для нишевых приложений. В долгосрочной перспективе технология ReRAM расширяет горизонты своего применения – ​теперь она предназначена не только для замены ДОЗУ, но и для приложений искусственного интеллекта (ИИ).

Crossbar – ​одна из компаний, ведущих работы в области ReRAM. По мнению клиентов, особенно в дата-центрах, самая большая проблема – ​ДОЗУ, из-за энергопотребления и стоимости. Представители Crossbar планируют заменить ДОЗУ в центрах обработки данных (ЦОД) для приложений с интенсивным чтением. При восьмикратном увеличении плотности размещения элементов схем и массивов памяти можно достичь примерно трех-пятикратного снижения затрат. Это, в свою очередь, значительно снизит совокупную стоимость владения и даст возможность экономить энергию в ЦОД, занимающихся гиперразмерными вычислениями.

Технология ReRAM компании Crossbar также предназначена для машинного обучения. Машинное обучение предполагает использование нейронной сети и ИИ. Есть прекрасная возможность использовать ReRAM новыми способами, такими как аналоговые и нейроморфные вычисления, но работы пока находятся на этапе исследований.

В нейроморфных вычислениях также используются нейронные сети. Перспективные разработки в области ReRAM ориентируются на воспроизведение мозгоподобных структур с использованием кремниевых технологий. Цель – ​имитировать перемещение информации в мозгу при помощи импульсов с точной синхронизацией. По этой теме ведутся многочисленные исследования, особенно в области материалов.

Интерес к нейроморфным архитектурам растет с распространением ИИ и машинного обучения. Ключевые факторы – ​потребляемая мощность и производительность. Недавно исследовательская организация Leti и фирма Weebit Nano продемонстрировали свои достижения в области нейроморфных вычислений – ​их специалисты выполняли задачи распознавания объектов в системах при помощи ReRAM. В этой демонстрации технология ReRAM фирмы Weebit использовалась для выполнения задач логического вывода при помощи алгоритмов нейронной сети. Искусственный интеллект быстро расширяет сферу своего применения – ​это распознавание лиц, вождение автономных транспортных средств, медицинское прогнозирование и т. д.


Заключение

В настоящий момент на рынке схем памяти присутствует несколько разработок, призванных заменить ДОЗУ и флэш-память NAND-типа. Еще ряд технологий находится на начальных стадиях НИОКР. Пока у ДОЗУ и флэш-памяти NAND-типа нет серьезных конкурентов. Вместе с тем нельзя исключить вероятность того, что скоро появятся принципиально новые технологии памяти, так что основная гонка еще впереди.


La Pedus Mark. The Next New Memories. Semiconductor Engineering, August 15, 2019: https://semiengineering.com/the-next-new-memories/


МНЕНИЕ ЭКСПЕРТА

Андрей Нуйкин

В последнее десятилетие большое число научных статей и НИОКР посвящено исследованиям и разработкам альтернативных видов «универсальной» памяти, которые должны прийти на смену классическим СОЗУ, ДОЗУ и флэш-памяти. При этом разработчиками декларируются уникальные характеристики такой памяти: энергонезависимость, сверхмалое энергопотребление, высокое быстродействие, повышенная надежность и т. д. Но прежде чем такая альтернативная память сможет потеснить на рынке классические решения, разработчикам предстоит пройти еще немалый путь.

На сегодняшний день эффективная площадь ячейки памяти на единицу площади кристалла для классических решений значительно меньше, чем у альтернативных видов памяти. Кроме того, воспроизводимость и надежность новых решений при массовом использовании еще только предстоит изучить. Пока же доля рынка альтернативных видов памяти минимальна из-за их высокой стоимости. Как правило, это нишевые продукты, где требуется работоспособность при воздействии агрессивных факторов окружающей среды, различных видов излучений (медицинское оборудование, автомобилестроение, самолетостроение, космическая промышленность и т. д.). Что касается встроенной энергонезависимой памяти, то самый передовой техпроцесс с минимальными топологическими нормами в 28 нм ожидается уже к концу 2019 г. на TSMC, и для этого уровня техпроцесса, помимо классической eFlash-памяти, появится опция выбора альтернативной встроенной памяти (MRAM, ReRAM).


В ЦЕНТРЕ ВНИМАНИЯ

Nantero

Дата основания : 2000 г.
Штабквартира: г. Вобурн, шт. Массачусетс, США.
Инвестиции: более 120 млн долл. от Dell Technologies Capital, Cisco Investments, Globespan Capital Partners, Draper Fisher Jurvetson и др.

Компания Nantero – ​пионер в области нанотехнологий. Обладает одним из наиболее полных портфелей в области ИС – ​более 170 патентов США, ожидается получение еще более 200 патентов. Единственное в мире семейство патентов на материалы и методы для успешного внедрения углеродных нанотрубок в КМОП-процессы существующих заводов по обработке пластин.

Сверхбыстрая энергонезависимая оперативная память на углеродных нанотрубках (NRAM) обладает высокой долговечностью (количество циклов на порядки больше, чем у схем флэш-памяти) и надежностью (данные сохраняются более 1000 лет при температуре 85 °C или более 10 лет при 300 °C). Все это, наряду с малой потребляемой мощностью, малыми габаритами и высокой производительностью, делает NRAM идеальной памятью для интеллектуальных автомобилей будущего.

Производители мобильных компьютеров благодаря NRAM получают следующие преимущества:

возможность хранить миллионы песен и сотни фильмов на одном устройстве;

продление срока службы батареи;

возможность разработки более компактных и инновационных моделей мобильных компьютеров;

добавление функций и возможностей, которые раньше были недоступны;

повышение производительности благодаря гораздо более высокой скорости записи, чем у флэш-памяти.

Для приложений искусственного интеллекта и центров обработки данных NRAM обеспечивает новый уровень пропускной способности и времени безотказной работы, более низкую потребляемую мощность и более высокую прибыль.

Nantero изготавливает NRAM на нескольких производственных линиях по всему миру. Со временем схемы можно будет масштабировать до топологий менее 5 нм.


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

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