Ежедневно генерируются все большие объемы данных, требующих обработки. Как следствие, возникает необходимость усовершенствования схем памяти – ​как хорошо зарекомендовавших себя типов ИС ЗУ, так и новых перспективных приборов. Растет потребность в увеличении емкости и быстродействия ИС ЗУ, снижении стоимости и потребляемой мощности. Работа по дальнейшему масштабированию, внедрению новых архитектур, материалов и приборных структур должна вестись постоянно.

Наблюдающийся в последнее время взрыв данных можно проиллюстрировать несколькими примерами. В области здравоохранения в 2013 г. было сгенерировано 153 Эбайта (10¹⁸) данных, а в 2020 г. этот показатель вырос в 15 раз. Существует также 10 млрд мобильных устройств, каждое из которых генерирует, хранит, обменивается и передает новые наборы данных. Каждый день в мире генерируется порядка 2,5 квинтиллиона байт, и этот объем быстро растет.

Это «цунами данных» стало одним из основных факторов роста микроэлектронной промышленности в 2020 г. На очередном Симпозиуме по отраслевой стратегии (Industry Strategy Symposium, ISS), проведенном Международной организацией поставщиков полупроводниковых оборудования и материалов (SEMI) в виртуальном режиме 12–13 января 2021 г., аналитики отметили продолжающийся рост продаж ИС как один из больших сюрпризов – ​предполагалось, что из-за пандемии продажи будут падать. При этом темпы роста продаж схем памяти были выше, чем по полупроводниковой промышленности в целом. В самом секторе ИС ЗУ наибольшие темпы роста продаж наблюдались по флэш-памяти NAND-типа – ​более 30%.

Для работы с любыми данными на протяжении всего их жизненного цикла требуются схемы памяти. Основные проблемы дальнейшего развития сектора ИС ЗУ связаны с ДОЗУ, флэш-памятью NAND-типа и новыми технологиями. Эти проблемы были описаны корпорацией Micron Technology на Международной конференции по электронным приборам (International Electronic Devices Meeting, IEDM) в декабре 2020 г., которая также (впервые) проходила в виртуальном режиме.

Проблемы масштабирования ДОЗУ

ДОЗУ остаются одним из основных компонентов большинства решений. Это проверенные, дешевые и в целом надежные ИС. Но они далеки от совершенства. Их основные проблемы связаны с «молотком рядов» (rowhammer), пределом чувствительности и этажеркой затвора.

При продолжении горизонтального масштабирования ДОЗУ разработчики сталкиваются с проблемой «молотка рядов» – ​потерей зарядов ячейками памяти из-за взаимодействия между собой. Это широко известное явление: при постоянном обращении к числовой шине («удары молотком») заряд имеет тенденцию накапливаться в местах ловушек на границе раздела (рис. 1). Позднее, когда эти заряды высвобождаются из-за дрейфовой диффузии, они мигрируют в соседние биты, что приводит к увеличению заряда. Это может запустить механизм потери данных и стать проблемой безопасности.

Источник: Micron/IEDM

Рисунок 1. Иллюстрация явления «молоток рядов», когда ловушки заряда высвобождают электроны, которые затем могут мигрировать в соседние ячейки

Дрейфующие заряды с каждым взаимодействием медленно нарушают содержимое соседних ячеек, постепенно изменяя их состояние. После достаточного количества воздействий в быстрой последовательности подвергающиеся воздействию ячейки могут перед следующим циклом обновления изменить свое состояние.

Это не новая, но основная проблема, которая усугубляется с каждым технологическим поколением по мере перехода на меньшие проектные нормы. При планарном масштабировании ДОЗУ эффект соседней ячейки может стать эффектом ближней соседней ячейки и возникает тенденция подверженности этому эффекту большего числа ячеек. Чем дальше идет масштабирование, тем сильнее обостряется проблема. Решить ее с ходу не получится. Поэтому возможные решения были сосредоточены на управлении – ​либо на раннем обновлении для восстановления любых ослабленных ячеек, либо на предотвращении дальнейшего доступа к ним после достижения определенного предела. Сообщество инженеров, специализирующихся в области электронных устройств (Joint Electron Device Engineering Council, JEDEC), добавило некоторые режимы и команды, сосредоточившись как на кристалле ДОЗУ, так и на контроллере ДОЗУ. Но это лишь смягчение проблемы, а не устранение ее первопричины.

Для обнаружения возможных атак к собственно ДОЗУ может быть добавлена логика. Поставщики сложнофункциональных (СФ/IP) блоков памяти работают над усилением защиты. Специалисты корпорации Synopsys отмечают, что для обнаружения возможных атак и несанкционированных обращений может быть использована аппаратная логика, а затем проактивно ограничен доступ к рядам, подверженным явлению «молотка рядов». Причем такой подход не обязательно будет оптимальным по отношению «производительность–эффективность». Альтернативным подходом может стать проактивное обновление строк, соседних со строками, подвергающимися явлению «молотка рядов».

По соображениям производительности и потребляемой мощности часть ответственности за обнаружение атак была возложена на контроллер, организующий трафик, идущий по каналу. Существует множество методов, которые могут быть интегрированы в работу контроллера.

Усилия разработчиков по усовершенствованию ячеек с целью устранения первопричины эффекта «молотка рядов» продолжаются. Но из-за сужения ячеек по мере масштабирования проблема становится постоянной – ​особенно в сочетании с необходимостью поддерживать разумные размеры кристаллов и минимизировать любые дополнительные затраты на обработку или материалы.

Следующая проблема при масштабировании DRAM связана с сужением чувствительности усилителя считывания. При уменьшении емкости ячейки предел чувствительности сокращается, что заставляет разработчиков увеличивать аспектное отношение и вводить новые материалы. Но даже при использовании самого идеального диэлектрика – ​воздушного зазора – ​характеристики сопротивления и емкости разрядной шины будут проблематичными при масштабировании, потому что между двумя разрядными шинами почти не остается пространства. Это ограничивает выбор используемых диэлектрических материалов и в конечном счете создает проблемы предела чувствительности.

Кроме того, меньшие транзисторы косвенно приводят к снижению предела чувствительности. По мере того как транзисторная область усилителей считывания уменьшается, для достижения лучшей эффективности матрицы вариации порогового напряжения необходимо увеличивать. Это специфическая проблема аналоговых схем, требующая постоянной работы над дальнейшим масштабированием.

Масштабирование с помощью традиционной недорогой этажерки затвора ДОЗУ также осложняется проблемами потребляемой мощности и производительности. На протяжении десятилетий наиболее часто используемыми, основными в индустрии ДОЗУ были высокопроизводительные КМОП поликремниевые затворы с подзатворным слоем оксида на основе оксинитрида кремния (SiON). Это хорошо известное и очень выгодное по стоимости решение. Однако с точки зрения удовлетворения требований к потребляемой мощности и производительности возникает ряд проблем при масштабировании эффективной толщины подзатворного оксида (EOT).

Альтернативным решением стали КМОП-структуры с металлическим затвором и высокой диэлектрической проницаемостью (high-k) подзатворного оксида. Обе эти технологии были распространены в сфере логических технологий, а теперь представляют собой привлекательный вариант масштабирования КМОП-памяти. Подобное решение также обеспечивает лучшие ток возбуждения (рис. 2) и характеристики согласования транзисторов, меньшие вариации (рис. 3).

Источник: Micron/IEDM

Рисунок 2. Металлические затворы с высокой диэлектрической проницаемостью могут обеспечить более высокий ток возбуждения, чем стандартные SiON-затворы, используемые в настоящее время в ДОЗУ

* HKMG (high-k metal gate) – металлический затвор с высоким значением диэлектрической проницаемости диэлектрика.

Источник: Micron/IEDM

Рисунок 3. Металлические затворы с высокой диэлектрической проницаемостью уменьшают вариации порогового напряжения и обеспечивают лучшее аналоговое согласование, чем SiON-затворы

Однако изменением процессов дело не ограничится. При внедрении указанной технологии в область схем памяти потребуется разработать устройства, позволяющие использовать периферийные и краевые устройства, а также обладающие хорошей совместимостью при интеграции матриц. И все это – ​при сохранении желаемой ценовой доступности ДОЗУ.

Moyer Bryon. More Data, More Memory-Scaling Problems. Semiconductor Engineering, January 14, 2021: https://semiengineering.com/more-data-more-memory-scaling-issues/