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Seit den 1970er Jahren ist DRAM in den kommerziellen Markt eingestiegen und hat sich mit seinen extrem hohen Lese- und Schreibgeschwindigkeiten zum größten Branchenmarkt im Speicherbereich entwickelt. Nach dem Aufkommen von Feature-Phones explodierte die Nachfrage der Menschen im PC-Zeitalter Die Nachfrage nach Speicherkapazität wächst und kostengünstiges NAND-Flash mit hoher Kapazität ist zur besten Wahl geworden.

Heute, mit dem Aufkommen der KI-Welle, ist HBM führend.

Die Speichertechnologie hat sich in den letzten 50 Jahren weiterentwickelt und verändert und hat nun nach und nach die Hauptbereiche DRAM, Flash und SRAM gebildet.

Da sich die Halbleiterfertigungstechnologie jedoch weiterhin in Richtung kleinerer Technologieknoten verlagert, stellen neue Anwendungsszenarien höhere Anforderungen an die Datenspeicherung in Bezug auf Geschwindigkeit, Stromverbrauch, Kapazität, Zuverlässigkeit usw. sowie die Nachteile kontinuierlicher technologischer Innovationen im herkömmlichen Sinne Seitdem sind DRAM, NAND-Flash usw. mit immer größeren Herausforderungen konfrontiert. In Verbindung mit der Diskrepanz in der Entwicklungsgeschwindigkeit zwischen diesen Speichertechnologien und logischen Recheneinheiten hat dies die weitere Verbesserung der Rechenleistung erheblich eingeschränkt und Energieeffizienz.

Daher hat die Branche begonnen, große Hoffnungen in neue Speichertechnologien zu setzen, und immer mehr neue Technologien entstehen rasant.

Derzeit konzentriert sich die Branche hauptsächlich auf vier Arten neuer Speicher: ferroelektrischer Speicher (FeRAM/FRAM), resistiver Speicher (ReRAM/RRAM), magnetischer Speicher (MRAM) und Phasenwechselspeicher (PCM).Diese neuen Speichertechnologien zielen darauf ab, die Schaltgeschwindigkeit von SRAM und die High-Density-Eigenschaften von DRAM mit den nichtflüchtigen Eigenschaften von Flash zu kombinieren.

Kann sich angesichts des Konflikts zwischen alten und neuen Technologien der aktuelle Trend zur Branchendominanz von DRAM und NAND fortsetzen? Oder werden neue Speichertechnologien wie FeRAM, ReRAM, MRAM oder PCM es ersetzen? Wie werden der zukünftige Trend und das Schicksal des Speichermarktes aussehen?

Ferroelektrischer Speicher FeRAM, in Schwierigkeiten?

Am 28. Juli 2022, 7 Jahre nach der Einführung der 3D-XPoint-Speichertechnologie, kündigte Intel die Schließung seines Optane-Speichergeschäfts an. Für die Speicherbranche dürfte diese Nachricht keine Überraschung sein. Als Intels erstes kommerzielles Produkt für nichtflüchtigen Speicher verlief die Geschäftsentwicklung von Optane nicht reibungslos und die Produktion wird niemals ein Niveau erreichen, bei dem die Chippreise angemessen sind.

Daher kann sich Aoteng dem Ende des Scheiterns nicht entziehen.

FeRAM ist eine weitere neue Speichertechnologie. Seit Jahren entwickelt die Speicherindustrie FeRAM und andere Speichertechnologien der nächsten Generation mit dem Ziel, die technologischen Einschränkungen und Lücken herkömmlicher Speicher zu schließen.

FeRAM, der vollständige Name ist Ferroelektrischer RAM (ferroelektrischer Direktzugriffsspeicher), auch als ferroelektrischer Speicher bekannt. FeRAM verwendet ferroelektrische Kristallmaterialien als Speichermedien und nutzt die Eigenschaften der charakteristischen Hystereseschleife im Verhältnis zwischen Spannung und Strom ferroelektrischer Kristallmaterialien, um eine Informationsspeicherung zu erreichen.

FeRAM-Strukturdiagramm

FeRAM-Produkte kombinieren die nichtflüchtigen Datenspeichereigenschaften von ROM mit den Vorteilen des unbegrenzten Lesens und Schreibens, des schnellen Lesens und Schreibens und des geringen Stromverbrauchs von RAM.

FeRAM verfügt über folgende technische Merkmale:

Nicht flüchtig:Das bemerkenswerteste Merkmal von FeRAM ist, dass seine Daten nach einem Stromausfall nicht verloren gehen und es sich um einen nichtflüchtigen Speicher handelt;

Schnelles Lesen und Schreiben:FeRAM verfügt über relativ hohe Lese- und Schreibgeschwindigkeiten mit Zugriffszeiten von üblicherweise etwa 50 ns und Zykluszeiten von etwa 75 ns, was es in Situationen vorteilhaft macht, in denen ein schneller Datenzugriff erforderlich ist;

Langes Leben:FeRAM verfügt über eine hohe Lese- und Schreibausdauer und kann in der Regel Milliarden von Lese- und Schreibzyklen erreichen, was herkömmliche EEPROMs und Flash-Speicher bei weitem übertrifft.

Geringer Stromverbrauch:Da FeRAM beim Speichern von Daten keinen zusätzlichen Strom zur Aufrechterhaltung des Datenzustands benötigt, ist der Stromverbrauch relativ gering;

Hohe Zuverlässigkeit:Kompatibel mit dem CMOS-Prozess, großer Betriebstemperaturbereich, hohe Zuverlässigkeit.

FeRAM verfügt über eine geringe Speicherdichte und eine begrenzte Kapazität. Obwohl es DRAM und NAND-Flash nicht vollständig ersetzen kann, bietet es Entwicklungspotenzial in Szenarien, die keine hohe Kapazität, hohe Lese- und Schreibgeschwindigkeit und lange Lebensdauer erfordern Uhren, Unterhaltungselektronikbereiche wie Smartcards und IoT-Geräte sowie Automobile und Industrieroboter.

Rückblickend auf die Entwicklungsgeschichte schlugen Wissenschaftler bereits 1920 das Konzept ferroelektrischer Materialien vor. Ein Masterstudent am Massachusetts Institute of Technology schlug 1991 erstmals das Konzept der Verwendung ferroelektrischer Kondensatoren als Datenspeicherelemente vor. Das amerikanische Unternehmen Ramtron (von Cypress übernommen) begann 1993 mit der Produktion von Low-Level-FeRAM-Produkten mit 2T/2C-Struktur. Ramtron entwickelte 1996 das weltweit erste 4-KB-FeRAM-Produkt in Massenproduktion des gleichen Jahres gelistet.

Seitdem hat die Entwicklung und Anwendung von FeRAM ein neues Kapitel aufgeschlagen.

FeRAM, der Fortschritt ist langsam?

Zu den Hauptakteuren auf dem FeRAM-Markt zählen derzeit Infineon (übernommenes Cypress), Fujitsu, Texas Instruments, IBM und Micron usw. Diese Unternehmen bieten zahlreiche Lösungen für Anwendungen wie intelligente Messgeräte, Automobilsysteme, tragbare Geräte und ferroelektrische Speicherprodukte .

Fujitsu verfügt über ferroelektrische Hochgeschwindigkeitsspeicherprodukte für Automobil- und Industrieanwendungen und liefert diese seit mehr als 20 Jahren an den Industriemarkt. Texas Instruments stellt FeRAM-basierte Mikrocontroller für IoT-Geräte und Wearables bereit. Infineon konzentriert sich auf die Bereitstellung ferroelektrischer Speicherlösungen für Automobil- und Industriesteuerungssysteme.

Im Dezember 2023 stellte Micron auf der IEEE-IEDM-Konferenz seine 32-GB-3D-NVDRAM-Forschungs- und Entwicklungsergebnisse vor, die viel größer sind als die vorherigen 8-MB-Produkte von Fujitsu und SK Hynix sowie die 16-MB-Produkte von Infineon und die 128-MB-Produkte von Toshiba.

Es wird berichtet, dass NVDRAM-Speicher auf dem Prinzip der Ferroelektrizität basieren und ähnlich wie DRAM eine hohe Haltbarkeit und niedrige Latenz erreichen können, während sie gleichzeitig eine ähnliche Nichtflüchtigkeit wie NAND-Flash-Speicher aufweisen. Dieser neue Speicher nutzt doppelschichtiges 3D-Stacking und stellt mit seiner Kapazitätsdichte von 32 GB einen neuen Rekord für ferroelektrische Speicher auf. Micron hat NVDRAM-Proben auf Basis der LPDDR5-Spezifikation getestet und glaubt, dass es für KI-Lasten geeignet ist, die Zeit für die Massenproduktion ist jedoch unbekannt.

Bereits im März 2021 sagte Micron bei seinem Rückzug aus dem Optane 3D XPoint-Markt: „Micron plant, die aus den Durchbrüchen im 3D Bei neuen Produkten, die auf die Speicherschicht abzielen, könnte FeRAM das Ziel gewesen sein.“

Darüber hinaus hat sich Jita Semiconductor mit der Wuxi Shunming Storage Technology Priority Company, einem inländischen aufstrebenden Anbieter ferroelektrischer Speicher, zusammengetan, um im Dezember 2023 das erste inländische aufstrebende ferroelektrische 110-nm-Speicherprodukt auf den Markt zu bringen. Im Vergleich zur bestehenden Technologie ist der neue Produktbereich kleiner Die Leistung wurde um 40 % bis 60 % erheblich verbessert und die offizielle Massenproduktion ist für das erste Quartal 2024 geplant.

Die neue ferroelektrische Speicherprozesstechnologie von Jita Semiconductor

Mit seinen vielen Funktionen wird FeRAM voraussichtlich eine der zukünftigen Entwicklungsrichtungen des Speichers werden.

Seine Entwicklung steht jedoch auch vor einigen Herausforderungen: Erstens wird die Ausbeute von FeRAM durch die Array-Größenbeschränkung beeinflusst und muss weiter verbessert werden, zweitens kann es nach Erreichen einer bestimmten Anzahl von Lesezyklen zu einer Verschlechterung der Haltbarkeit kommen, was den Einsatz erfordert der Materialwissenschaften und der Weiterentwicklung der Herstellungsprozesse; außerdem sind die Herstellungskosten von FeRAM relativ hoch und müssen mit der Ausweitung des Produktionsumfangs und des technologischen Fortschritts gesenkt werden.

Einige in der Branche glauben, dass sich FeRAM und Optane im selben Dilemma befinden: Es gibt keinen praktikablen Weg, eine Massenproduktion zu erreichen und dadurch die Kosten für jeden Chip auf ein erschwingliches Niveau zu senken, und die Fortschritte sind derzeit nur langsam.

Micron sagte, wenn der Markt attraktiv genug sei, könne Micron NVDRAM-Produkte zum Verkauf herstellen, allerdings nur, wenn es sehe, dass die Kapitalrendite der Technologie höher sei als die Investition in NAND oder DRAM.

Dies ist eine sehr große Herausforderung für den Nischenmarkt für eingebettete Speicher.

Wenn große Speicherhersteller wie Micron, SK Hynix und Samsung FeRAM-Speicher nicht in großem Umfang einführen, wird es für Startups noch ein langer Weg sein, ihre Produkttechnologie durch Zusammenarbeit mit Gießereien zu entwickeln und zu testen. Bis diese Umstände eintreten, darf FeRAM nur in den Forschungslaboren von Technologieinstituten verbleiben und nicht in großem Maßstab kommerzialisiert werden.

Der aufkommende ReRAM-Speicher wird zum Mainstream

Im Vergleich zu FeRAM wurden ReRAM-Geräte aktiv, kontinuierlich und erfolgreich entwickelt und kommerzialisiert. Automotive, IoT und andere Anwendungen zählen zu den Wachstumstreibern für ReRAM.

ReRAM, der vollständige Name ist Resistive Random Access Memory (resistiver Direktzugriffsspeicher), auch Resistive Switching Memory oder RRAM genannt.

ReRAM ist ein nichtflüchtiger Speicher, der auf dem Widerstand nichtleitender Materialien basiert und unter Einwirkung eines externen elektrischen Felds reversibel zwischen einem Zustand mit hohem Widerstand und einem Zustand mit niedrigem Widerstand umgewandelt werden kann. Als einfachste Speichertechnologie sieht die ReRAM-Struktur wie ein Sandwich aus. Eine isolierende dielektrische Schicht (Widerstandsschaltschicht) ist zwischen zwei Metallschichten eingebettet und bildet eine Metall-Dielektrikum-Schicht-Metall, die aus oberen und unteren Elektroden und einer Widerstandsschaltschicht besteht . (MIM) Dreischichtstruktur.

Das leitfähige Filament weist in der Widerstandsschicht zwei Ein- oder Ausschaltzustände auf: einen nichtflüchtigen Zustand mit niedrigem Widerstand oder einen Zustand mit hohem Widerstand, wodurch die Unterscheidung und Speicherung der Zustände „0“ und „1“ realisiert wird.

ReRAM umfasst viele verschiedene Technologiekategorien. Zu den aktuellen Mainstream-Technologierouten gehören hauptsächlich: Sauerstoffleerstellenspeicher OxRAM, leitfähiger Brückenspeicher CBRAM, Metallionenspeicher MeRAM und Kohlenstoffnanoröhren-CaRAM, normalerweise durch Verschieben leitfähiger Elemente wie Metallionen oder Sauerstoffleerstellen in Brücken indem Sie sie aus vorhandenen Brücken entfernen, um 1 oder 0 darzustellen.

Merkmale der ReRAM-Technologie:

Hohe Geschwindigkeit:Die Lösch- und Schreibgeschwindigkeit von ReRAM wird durch die Impulsbreite bestimmt, die die Widerstandsänderung auslöst, die im Allgemeinen weniger als 100 ns beträgt;

Starke Haltbarkeit:Das Lesen und Schreiben von ReRAM unterscheidet sich von NAND dadurch, dass es einen reversiblen und schadensfreien Modus annimmt, der seine Lebensdauer erheblich verlängern kann.

Multi-Bit-Speicherfähigkeit:Einige ReRAM-Materialien verfügen außerdem über mehrere Widerstandszustände, sodass eine einzelne Speicherzelle mehrere Datenbits speichern kann, wodurch die Speicherdichte erhöht wird.

ReRAM kombiniert die Lese- und Schreibgeschwindigkeit von DRAM mit der Nichtflüchtigkeit von NAND. Wenn man es umfassend in Bezug auf Dichte, Energieeffizienzverhältnis, Kosten, Prozess und Ertrag misst, hat ReRAM-Speicher offensichtliche Vorteile gegenüber bestehenden neuen Speichern.

Mit zahlreichen Vorteilen wird ReRAM mittlerweile in immer mehr Prozesse als eingebetteter nichtflüchtiger Speicher (NVM) von 130 nm bis 22 nm und darunter integriert und in intelligenten Autos, Edge-KI, MCU, PMIC usw. eingesetzt. Es zeichnet sich durch geringen Stromverbrauch, niedrige Kosten, Byte-Adressierbarkeit, Skalierbarkeit für erweiterte Knoten und starke Anpassungsfähigkeit an verschiedene Umgebungsbedingungen aus.

Darüber hinaus kann gehirninspiriertes Computing auf Basis von ReRAM mittel- bis langfristig auch den Engpass der Von-Neumann-Computing-Architektur überwinden und gilt als eine der besten Möglichkeiten, um die Integration von Speicher und Computing zu erreichen.

In diesen Bereichen sind schnelle Datenverarbeitungs- und Speicheranforderungen von entscheidender Bedeutung.

Der Wettlauf um die Entwicklung hochintegrierter, energieeffizienter und leistungsorientierter ReRAM-Technologie bringt spannende Entwicklungen für zukünftige Speicherlösungen für eine Vielzahl von Anwendungen mit sich. Beispielsweise kann ReRAM in selbstfahrenden Autos oder intelligenten Industrierobotern aufgrund seines geringen Stromverbrauchs und seiner Langlebigkeit komplexe Datenvorgänge mit geringem Energieverbrauch bewältigen und Datenpersistenz und -zuverlässigkeit gewährleisten. Diese Eigenschaften bieten ReRAM breite Anwendungsaussichten im zukünftigen Edge-KI-Markt.

ReRAM beschleunigte den Kommerzialisierungsfortschritt

Tatsächlich ist ReRAM kein neues Konzept, es erlangte bereits in den 1960er und 1970er Jahren Aufmerksamkeit.

Aus Branchensicht sind Panasonic, Renesas, Western Digital, Fujitsu, Samsung, Sony, Adesto und Crossbar die größten Hersteller im ReRAM-Bereich. Im Hinblick auf Gießereien entwickeln oder bieten SMIC, TSMC, UMC, GlobalFoundries usw. ReRAM-Prozesse für Gießereikunden an.

Der Entwicklungsverlauf sieht ungefähr wie folgt aus: 2013 brachten Panasonic und Adesto ReRAM-Produkte mit 180-nm- bzw. 130-nm-Prozessen auf den Markt; 2015 brachten Fujitsu und Panasonic gemeinsam einen ReRAM-Chip mit 4 MB Kapazität auf den Markt; Auf dieser Grundlage brachte Adesto 2018 neue Produkte mit 130-nm-Prozess auf den Markt, und Fujitsu brachte den 8-Mbit-ReRAM-Chip auf den Markt , Intel brachte eReRAM-Produkte mit dem 22FFL-Prozess auf den Markt; von da an bis 2024 brachten viele Unternehmen mehrere 40-nm-ReRAM-Produkte auf den Markt und trieben die ReRAM-Technologie weiter voran.

Im Juli dieses Jahres schloss der inländische Head-Panel-Hersteller Visionox die Entwicklung und Zertifizierung des weltweit ersten AMOLED-Display-Treiberchips mit eingebetteter ReRAM-Speichertechnologie ab.

Berichten zufolge ist dies der erste Display-Treiberchip, der die eingebettete RRAM-Speichertechnologie in AMOLED nutzt. Im Vergleich zum bestehenden herkömmlichen Display-Treiberchip, der eine integrierte SRAM + externe Flash-Lösung verwendet, um die Demura-Kompensationsfunktion zu erreichen, entfernt dieser neue Treiberchip direkt den herkömmlichen externen Flash-Chip und löst so effektiv die Probleme hoher externer Gerätekosten und Kompensationsparameter Es überwindet Probleme wie langsame Geschwindigkeit und bringt Vorteile wie geringere Kosten, kleinere Fläche und höhere Effizienz. Es ist ein wichtiger Durchbruch in der AMOLED-Display-Treiber-Chip-Technologie.

Im Mai berichtete das Analystenunternehmen TechInsights, dass der neueste 22ULL-Embedded-Resistive-Switching-Memory-Chip (eRRAM) von TSMC wichtige Fortschritte in der Speichertechnologie gemacht hat. Der Chip wird in den neuen Systemchips der nRF54L-Serie von Nordic Semiconductor verwendet und wird zu einem drahtlosen Teil mit geringem Stromverbrauch Bei der IoT-Lösung handelt es sich um das eRRAM-Produkt der zweiten Generation von TSMC, das über die branchenweit erste 22-nm-CMOS-Technologie verfügt und mit eingebettetem STT-MRAM vergleichbar sein soll.

Im März ist Xinyuan Semiconductor, ein von ByteDance investiertes Unternehmen, ebenfalls ein Unternehmen, das sich auf die Forschung und Entwicklung der aufkommenden ReRAM-Speichertechnologie und verwandter Chips konzentriert, darunter leistungsstarke Industriesteuerungen, SoC/ASIC-Chips für die Automobilindustrie, integriertes Speicher- und Computing-IP (CIM) und Chips , und Systeme Level Storage (SoM) Chips und andere Anwendungsbereiche.

Es wird berichtet, dass Xinyuan Semiconductor die integrierte Closed-Loop-Technologie beherrscht, die Gerätematerialien, Prozessprozesse, Chipdesign, IP-Design und Pilot-Massenproduktion abdeckt, und die erste fortschrittliche Prozess-ReRAM-12-Zoll-Pilot-Back-End-Produktionslinie auf dem Festland gebaut hat China und die Einführung der „Xin·Shanwen“-Serie sicherer ReRAM-Speicherprodukte haben eine kommerzielle Massenproduktion im Bereich der industriellen Automatisierungssteuerung erreicht.

Im August 2023 schlug das Team um Akademiker Liu Ming vom Institut für Mikroelektronik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften eine neue RRAM-In-Memory-Computing-Struktur mit hoher Parallelität und hohem Leistungsverhältnis vor. Auf Geräteebene schlug das Team eine Speicher- und Berechnungsarraystruktur mit einem gewichteten Zwei-Transistor-Memristor (WH-2T1R) vor, die die Auswirkungen parasitärer Effekte auf den Berechnungsstrom verringert und den Stromverbrauch von Multiplikations-Akkumulations-Vorgängen reduziert. Auf Schaltungsebene wird eine referenzstromreduzierende Ausleseschaltung mit Strommodus-Leseverstärker vorgeschlagen, die den Stromverbrauch der Ausleseschaltung deutlich reduziert. Auf der Ebene der Algorithmuszuordnung schlug das Team eine Zuordnungsstrategie mit hoher Bit-Datenredundanz (MSB_RSM) vor, um die Berechnungsgenauigkeit zu verbessern. Diese Lösungen wurden anhand des vom Team unabhängig entwickelten eingebetteten 28-nm-Prozesses verifiziert. Die durchschnittliche Energieeffizienz der RRAM-In-Memory-Computing-Struktur in der ResNet-18-Aufgabe erreicht 30,34TOPS/W und kann durch verbessert werden Optimierung des Auslesezeitpunkts. Die Forschungsergebnisse wurden im „IEEE Journal of Solid-State Circuits“ veröffentlicht.

Im August 2023 gab Houmo Intelligent den Abschluss der Tests und der Entwicklung von Anwendungsszenarien für den ersten kommerziell erhältlichen RRAM-Speicherchip mit großer Kapazität bekannt.

Es gibt auch Yizhu Technology, das sich auf die Entwicklung vollständig digitaler Speicher- und Computing-integrierter KI-Chips mit großer Rechenleistung auf Basis von ReRAM konzentriert. Im Jahr 2023 entwickelte Yi Zhu Technology erfolgreich den ersten hochpräzisen, stromsparenden POC-Chip mit integrierter KI und großer Rechenleistung auf Basis von Memristor-RRAM (ReRAM). Er basiert auf traditionellen Herstellungsprozessen und wurde von Dritten verifiziert. Parteiinstitutionen mit hervorragender Energieeffizienzleistung mehr als zehnmal mehr als herkömmliche Architektur-KI-Chips.

Darüber hinaus konzentriert sich Weebit Nano, ein 2015 gegründetes israelisch-französisches Joint Venture, seit vielen Jahren auch auf die ReRAM-Speichertechnologie.

Weebit Nano hat sich mit der CMOS-Halbleitergießerei Skywater zusammengetan, um Skywater-Kunden seine ReRAM-Module zur Verfügung zu stellen und einen voll funktionsfähigen Demonstrationschip zu produzieren.

Auf dem Flash Memory Summit im August 2023 stellte Amir Regev, Vizepräsident für Qualität und Zuverlässigkeit von Weebit Nano, die Entwicklungstrends des Embedded-ReRAM-Marktes sowie die technologischen Fortschritte und Erfolge von Weebit Nano in diesem Bereich vor. Er wies darauf hin, dass der aufstrebende Markt für nichtflüchtige Speicher (NVM) bis 2028 voraussichtlich 2,7 Milliarden US-Dollar erreichen wird, wobei ReRAM voraussichtlich 37 % des Marktes ausmachen wird, insbesondere bei eingebetteten Anwendungen, da die MCU-Lieferungen zunehmen und ReRAM 60 % davon ausmachen wird das Wafervolumen.

Derzeit implementiert Weebit ein kommerzielles Betriebsmodell durch die Lizenzierung von IP an Halbleiterunternehmen und Fabriken. Seine ReRAM-Technologie wurde auf dem 28-130-nm-Prozessknoten siliziumverifiziert und hat den Tapeout auf der 22FDX-Plattform von GlobalFoundries erfolgreich abgeschlossen. Mass Produktion.

Die bei SkyWater hergestellten ReRAM-Module von Weebit haben wichtige Qualifikationen abgeschlossen und markieren einen wichtigen Meilenstein in der Reife der ReRAM-Technologie.

Weebit Nano sagte, dass der aufkommende ReRAM-Speicher zum Mainstream wird.

Zusätzlich zu den oben genannten Anwendungsgebieten ist neuromorphes Computing ein weiteres potenzielles Anwendungsgebiet von ReRAM.

Einige Unternehmen wie Facebook und Google haben maschinelle Lernsysteme entwickelt, die neuronale Netze nutzen. Neuronale Netze helfen Systemen, von denen viele FPGAs und GPUs mit SRAM-basiertem Speicher verwenden, Daten zu verarbeiten und Muster zu erkennen. Die Speicherindustrie entwickelt für diesen Bereich ReRAM, der viel dichter ist als GPU/SRAM-Architekturen.

Aber neuromorphe Systeme erfordern die Kaskadierung mehrerer gestapelter ReRAM-Geräte. Bevor ReRAM auf den Markt kommen kann, muss die Speicherindustrie ReRAM zunächst im kleinen Maßstab beherrschen.

Da sich das Mooresche Gesetz allmählich verlangsamt, wird es immer wichtiger, effiziente Speichertechnologien zu finden, die den Anforderungen der Datenverarbeitung der nächsten Generation gerecht werden. In diesem Zusammenhang hat ReRAM großes Potenzial gezeigt.

Obwohl die ReRAM-Technologie als Speicherlösung der nächsten Generation vielversprechend ist, steht sie immer noch vor gewissen Herausforderungen, die ihrer weitverbreiteten Einführung im Wege stehen. Das erste ist das „Sneak Path“-Problem, das zu Stromverlusten führt und zu fehlerhaften Lesevorgängen im Speicher führen kann. Zweitens bestehen Bedenken hinsichtlich der Bildung und Stabilität von Sauerstoffleerstellen, die für den Widerstandsschaltmechanismus, auf den ReRAM angewiesen ist, von entscheidender Bedeutung sind ; Darüber hinaus ist die Schaffung eines gleichmäßigen elektrischen Feldes innerhalb der Speicherzelle für ein zuverlässiges Schalten eine Hürde. Obwohl ReRAM im Vergleich zu herkömmlichen Speichern wie Flash-Speichern eine Energieeffizienz bietet, stellt die Verbesserung dieser Eigenschaft zur Erfüllung der Anforderungen von Anwendungen mit extrem geringem Stromverbrauch eine technische Hürde dar.

Kurzfristig wird ReRAM NAND oder andere Mainstream-Speicher nicht ersetzen, aber es wird seinen Platz finden, insbesondere in eingebetteten Systemen und anderen Bereichen, die hohe Leistung, geringen Stromverbrauch, Miniaturisierung und Speicherlösungen mit hoher Dichte erfordern.

MRAM sticht heraus

Neben FeRAM und ReRAM wurden auch andere neue Speichertechnologien wie MRAM und PCM ausführlich diskutiert. Jede dieser Technologien hat ihre eigenen einzigartigen Vorteile und Anwendungsszenarien, steht aber auch vor eigenen Herausforderungen.

In einer sich ständig weiterentwickelnden Technologielandschaft zeichnen sich bestimmte Innovationen durch ihr Potenzial aus, Branchen umzugestalten und Leistungsstandards neu zu definieren. Der magnetoresistive Direktzugriffsspeicher (MRAM) ist ein großer Durchbruch.

MRAM, Magnetic RAM, auch magnetischer Speicher genannt, ist eine Technologie, die auf dem Tunnel-Magnetowiderstandseffekt basiert.

MRAM verwendet magnetische Tunnelkontakte (MTJs) als grundlegende Speichereinheit. Jeder MTJ besteht aus zwei Schichten magnetischer Materialien, die von einer dünnen Isolierschicht umgeben sind. Je nachdem, ob die Magnetisierungsrichtungen der beiden Schichten magnetischer Materialien konsistent sind, weist der MTJ unterschiedliche Widerstandswerte zum Speichern von Informationen auf. MRAM kombiniert die Hochgeschwindigkeits-Lese- und Schreibleistung von DRAM mit den nichtflüchtigen Eigenschaften von SRAM. Darüber hinaus bietet es die Vorteile eines geringen Stromverbrauchs, einer hohen Haltbarkeit, eines breiten Betriebstemperaturbereichs und nahezu unbegrenzter Lösch- und Schreibzyklen.

Schematische Darstellung des MRAM

Technische Merkmale des MRAM:

Nicht flüchtig:Der Magnetismus von Ferromagneten verschwindet nicht durch einen Stromausfall und MRAM ist nichtflüchtig.

Unbegrenzte Lese- und Schreibzeiten:Der Magnetismus von Ferromagneten verschwindet nicht nur nicht, wenn der Strom abgeschaltet wird, sondern es wird auch angenommen, dass er niemals verschwindet. Daher können MRAM und DRAM unbegrenzt neu beschrieben werden.

Schnelle Schreibgeschwindigkeit und geringer Stromverbrauch:Die Schreibzeit von MRAM kann bis zu 2,3 ​​ns betragen und der Stromverbrauch ist extrem niedrig, wodurch ein sofortiges Ein- und Ausschalten ermöglicht und die Batterielebensdauer tragbarer Computer verlängert werden kann.

Hohe Integration mit Logikchips:MRAM-Einheiten können problemlos in Logikschaltungschips eingebettet werden, und zum Back-End-Metallisierungsprozess werden nur ein oder zwei Schritte hinzugefügt, die eine Fotolithographiemaske erfordern. Darüber hinaus können MRAM-Zellen vollständig in der Metallschicht des Chips hergestellt werden, und es können sogar zwei bis drei Zellschichten gestapelt werden, sodass das Potenzial für den Aufbau großer Speicherarrays auf Logikschaltungen besteht.

Die MRAM-Forschung konzentriert sich auf die Verbesserung der Speicherdichte, die Reduzierung der Schreibenergie, die Erhöhung der Lese- und Schreibgeschwindigkeit sowie die Verbesserung der Kompatibilität und Kosteneffizienz des Herstellungsprozesses. STT-MRAM hat sich aufgrund seines geringeren Schreibstroms und seiner besseren Skalierbarkeit zu einem Forschungsschwerpunkt entwickelt, während SOT-MRAM aufgrund seines Potenzials für einen geringeren Stromverbrauch und schnellere Schaltgeschwindigkeiten Aufmerksamkeit erregt hat.

MRAM ist ein nichtflüchtiger Speicher, der schneller und langlebiger ist und weniger Strom verbraucht als herkömmliche Technologien und in einer Vielzahl von Branchen, darunter Automobil, Industrie, Wearables, Luft- und Raumfahrt und Verteidigung, große Aufmerksamkeit und Anwendung findet.

Typischerweise sind Patentanmeldungen ein klares Zeichen dafür, dass einer Technologie viel Aufmerksamkeit geschenkt wird – je relevanter eine Technologie für kommerzielle Anwendungen ist, desto größer ist die Zahl der Patentanmeldungen.

Laut LexisNexis-Statistik blieb die Zahl der Patentanmeldungen im MRAM-Markt von 2004 bis 2013 stabil, mit etwa 300 bis 400 Patentanmeldungen pro Jahr. Im Jahr 2011 gab es einen Höhepunkt. Weitere Untersuchungen ergaben, dass Toshiba im Jahr 2011 seine Patentanmeldungen in diesem Technologiebereich erhöhte, was zu diesem Anstieg führte.

Patentanmeldungstrends und IEEE-Veröffentlichungen im MRAM-Bereich in den letzten 20 Jahren

Es ist erwähnenswert, dass der Rückgang am Ende des Diagramms keinen Rückgang des Interesses darstellt, sondern vielmehr die Verzögerung zwischen Patentanmeldung und Veröffentlichung.

Es versteht sich, dass LexisNexis unter Berücksichtigung der Größe des Patentportfolios die Top-10-Unternehmen in drei Kategorien eingeteilt hat:

Eigentümer starker Patentportfolios: Samsung, Kioxia und TSMC;

Anhänger: TDK und IBM;

andere Unternehmen.

Qualität der Top-10-Unternehmen im MRAM-Bereich nach Stärke des Patentportfolios

MRAM, kommerzielles Potenzial hervorgehoben

Rückblickend auf die Entwicklungsgeschichte von MRAM unterzeichnete TSMC bereits 2002 einen MRAM-Kooperationsentwicklungsplan mit dem Taiwan Industrial Research Institute.

Der erste kommerzialisierte MRAM war der Toggle-MRAM von Freescale Semiconductor im Jahr 2006. Honeywell und Cobham sowie andere Unternehmen kündigten 2014 an, dass sie SRAM durch STT-MRAM ersetzen würden, wodurch der Cache-Stromverbrauch verringert würde das Gerät wurde um fast 60 % reduziert; 2017 haben die Universität für Luft- und Raumfahrt Peking und das Institut für Mikroelektronik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften gemeinsam erfolgreich das erste 80-Nanometer-STT-MRAM-Gerät des Landes vorbereitet.

Im Juni 2023 arbeitete die Spin Quantum Materials and Devices Research Group des Shenzhen Songshan Lake Materials Laboratory mit der University of California, Los Angeles, der King Abdullah University of Science and Technology, der University of Electronic Science and Technology of China und dem Institute of zusammen Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften, um ein auf topologischen Isolatoren basierendes und fortschrittlicheres SOT-MRAM-Speichergerät zu realisieren, das eine hohe Speicherdichte mit einem Tunnelübergang mit senkrechter magnetischer Anisotropie (pMTJ) kombiniert. TSMC hat verwandte MRAM-Produktlinien wie den 16/12-nm-Prozess entwickelt.

Ebenfalls im Jahr 2023 arbeitete NXP mit TSMC zusammen, um gemeinsam den branchenweit ersten eingebetteten 16-Nanometer-FinFET-MRAM für die Automobilindustrie zu entwickeln, der die nächste Generation der Automobilarchitektur unterstützen soll. Diese Zusammenarbeit unterstreicht die wachsende Bedeutung von MRAM im Automobilsektor mit dem Ziel, die Leistung und Zuverlässigkeit fortschrittlicher Automobilanwendungen zu verbessern.

Am 18. Januar dieses Jahres gaben TSMC und das Industrial Research Institute die erfolgreiche Entwicklung von SOT-MRAM-Array-Chips bekannt, was einen großen Durchbruch auf dem Gebiet der MRAM-Speichertechnologie der nächsten Generation darstellt. Dieses innovative Produkt nutzt nicht nur eine fortschrittliche Computerarchitektur, sondern verbraucht auch nur 1 % des Stromverbrauchs ähnlicher STT-MRAM-Technologie.

Darüber hinaus erforscht TSMC aktiv SOT-MRAM und VC-MRAM und arbeitet mit externen Forschungslabors, Konsortien und akademischen Partnern zusammen.

Top 10 Unternehmen mit Innovationsreife im MRAM-Bereich

Fast zeitgleich mit TSMC kündigte Samsung im Jahr 2002 seinen MRAM-Entwicklungsplan an. Im Jahr 2005 übernahm Samsung die Führung in der Forschung und Entwicklung von STT-MRAM. Diese Technologie erwies sich später als in der Lage, die Leistungsanforderungen des Last-Level-Cache im Bereich Hochleistungsrechnen zu erfüllen, und galt als leistungsstarkes Werkzeug den Nischenmarkt durchbrechen.

Anfang 2022 veröffentlichte Samsung Electronics die weltweit erste MRAM-basierte In-Memory-Computing-Forschung in der renommierten Fachzeitschrift Nature. Auf der SFF 2023 in Europa kündigte Samsung seine Vision an, die Automobiltechnologie der nächsten Generation zu revolutionieren, und plant die Entwicklung des ersten 5-nm-eMRAM von Samsung. Neben der Einführung von 14-nm-eMRAM bis 2024 plant das Unternehmen auch, sein eMRAM-Produktportfolio bis 2026 um 8 nm und bis 2027 um 5 nm weiter zu erweitern. Im Vergleich zum 14-nm-Prozess wird erwartet, dass 8-nm-eMRAM die Dichte um 30 % und die Geschwindigkeit um 33 % erhöht.

Unter all diesen neuen Speichertechnologien ist MRAM eine der Technologien mit größerem kommerziellen Potenzial.

Obwohl MRAM-Speicher die Vorteile von Haltbarkeit und Massenproduktion bieten, sind MRAMs auch mit vielen Herausforderungen konfrontiert, wie z. B. dem komplexen Materialsystem des realen Geräts, dem niedrigen Schaltverhältnis und der Notwendigkeit, vollständig auf den CMOS-Prozess abgestimmt zu sein. Darüber hinaus stößt die Entwicklung von MRAM immer noch auf Engpässe beim dynamischen Stromverbrauch, der Energieverzögerungseffizienz und der Zuverlässigkeit.

Im Allgemeinen ist MRAM noch weit von einer ausgereiften Technologie entfernt, und sein Kostenvorteil wurde noch nicht hervorgehoben. Darüber hinaus kann man nur sagen, dass MRAM derzeit die vielversprechendere Technologie ist Ob DRAM oder NAND, MRAM hat noch einen langen Weg vor sich.

PCM eröffnet ein neues Computerparadigma

PCM, Phase-Change-RAM, auch bekannt als Phase-Change-Memory oder PCRAM.

Das Prinzip von PCM besteht darin, das Phasenwechselmaterial durch Änderung der Temperatur zwischen einem kristallinen (leitenden) Zustand mit niedrigem Widerstand und einem amorphen (nicht leitenden) Zustand mit hohem Widerstand umzuwandeln und den Leitfähigkeitsunterschied zwischen den beiden Zuständen zur Unterscheidung zu verwenden. 0 und 1". Dies ermöglicht die Datenspeicherung.

PCM-Schaltplan

PCM verfügt über die Nichtflüchtigkeit von NAND und die hohe Lese- und Schreibgeschwindigkeit sowie die lange Lebensdauer von DRAM. Darüber hinaus bietet es die Vorteile einer geringen Latenz, einer hohen Dichte, eines geringen Stromverbrauchs und der Kompatibilität mit der CMOS-Technologie Es wird erwartet, dass die Möglichkeit von Two-in-One in Hochleistungsrechenzentren, Servern, dem Internet der Dinge und anderen Szenarien zum Einsatz kommt.

Technische Merkmale des PCM:

Geringe Latenz, ausgewogene Lese- und Schreibzeiten:PCM muss den vorherigen Code oder die vorherigen Daten nicht löschen, bevor der Aktualisierungscode geschrieben wird, sodass die PCM-Lese- und Schreibgeschwindigkeit im Vergleich zu NAND-Flash verbessert und die Lese- und Schreibzeit ausgeglichener ist.

Langes Leben:Das Lesen und Schreiben von PCM erfolgt zerstörungsfrei, daher übertrifft die Schreibdauer die von Flash-Speichern bei weitem. Der Einsatz von PCM als Ersatz für herkömmliche mechanische Festplatten bietet eine höhere Zuverlässigkeit.

Geringer Stromverbrauch:PCM verfügt nicht über ein mechanisches Drehgerät und benötigt keinen Aktualisierungsstrom zum Speichern von Code oder Daten. Daher ist der Stromverbrauch von PCM geringer als bei HDD, NAND und DRAM.

Hohe Dichte:Einige PCMs verwenden Nicht-Transistor-Designs, um eine hohe Speicherdichte zu erreichen;

Gute Strahlenbeständigkeit:Die PCM-Speichertechnologie hat nichts mit dem Zustand der geladenen Teilchen im Material zu tun, daher weist sie eine hohe Beständigkeit gegen Weltraumstrahlung auf und kann den Anforderungen der Landesverteidigung und der Luft- und Raumfahrt gerecht werden.

Derzeit wurde keine klare physikalische Grenze für PCM gefunden. Untersuchungen zeigen, dass das Speichergerät auch dann eine Phasenänderung erfahren kann, wenn das Phasenänderungsmaterial auf eine Dicke von 2 nm reduziert wird. Daher könnte PCM das Problem der physikalischen Grenzen der Speichertechnologie lösen und zu einem der Halbleiterspeichergeräte der neuen Generation werden, die in Zukunft universell einsetzbar sein werden.

Im Jahr 2006 arbeitete Intel mit Samsung zusammen, um den ersten kommerziellen PCM-Chip zu produzieren. Im Jahr 2015 entwickelten Intel und Micron gemeinsam einen revolutionären PCM-Speicherchip – 3D Xpoint. Ersterer nannte die Technologie Optane und Letzterer nannte sie QuantX.

Die 3D-Xpoint-Technologie hat einen revolutionären Durchbruch auf dem Gebiet des nichtflüchtigen Speichers erzielt. Obwohl ihre Geschwindigkeit etwas langsamer als die von DRAM ist, ist ihre Kapazität höher als die von DRAM und 1.000-mal schneller als die von Flash-Speicher.

Aber auch seine Mängel liegen auf der Hand. 3D Xpoint verwendet eine Stapelstruktur. Denn je mehr Schichten gestapelt werden, desto mehr Masken werden benötigt, und in der gesamten IC-Herstellungsindustrie verursachen Masken die höchsten Kosten. Aus fertigungstechnischer Sicht ist es daher sehr schwierig, eine 3D-Stapelstruktur mit Dutzenden von Schichten zu erreichen.

Mit der Schließung von Intels Optane-Speichergeschäft ist auch die 3D-XPoint-Speichertechnologie am Ende.

Allerdings ist die Industrie immer noch dabei, die PCM-Technologie weiterzuentwickeln. Anfang 2022 entwickelten das Institute of Information Storage Materials and Devices (ISMD) der School of Integrated Circuits der Huazhong University of Science and Technology und das Center for Materials Innovation and Design (CAID) der Xi'an Jiaotong University einen Phasenwechselspeicher Mit einer amorphen Netzstruktur und einem Stromverbrauch von 0,05 unter pJ ist der Stromverbrauch tausendmal niedriger als der von Mainstream-Produkten.

Im April dieses Jahres gab die Korea Academy of Science and Technology bekannt, dass ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Shinhyun Choi von der School of Electrical Engineering ein Phasenwechselspeichergerät der nächsten Generation entwickelt hat. Die entsprechenden Ergebnisse wurden in der Top-Zeitschrift Nature veröffentlicht Der Titel der Arbeit lautet: „Phasenwechselspeicher über ein phasenveränderbares, selbstbegrenztes Nanofilament“.

In dem Artikel wird ein neuartiges PCM-Gerät vorgestellt, das phasenveränderliche SiTex-Nanodrähte verwendet, um den PCM-Rücksetzstrom wirksam zu reduzieren. Dieses innovative Design kann den Rücksetzstrom erheblich reduzieren, ohne die Herstellungskosten zu beeinträchtigen. Insbesondere weist das entwickelte Nanofilament-PCM einen extrem niedrigen Reset-Strom von etwa 10 μA auf, was ein bis zwei Größenordnungen niedriger ist als bei hochskalierbaren herkömmlichen PCMs.

Dieser Durchbruch in der PCM-Technologie markiert einen wichtigen Schritt für die Branche bei der Erschließung eines neuen Computerparadigmas, insbesondere bei Anwendungen, die von den einzigartigen Eigenschaften von PCM profitieren können.

Obwohl PCM viele Vorteile bietet, gibt es bei PCM derzeit auch einige offensichtliche Anwendungsengpässe, die zu einer stagnierenden Kommerzialisierung führen. Erstens: Da der PCM-Speicherprozess auf der Temperaturregulierung beruht und sehr temperaturempfindlich ist, kann er nicht auf große Temperaturszenarien angewendet werden. Zweitens verfügt PCM-Speicher über eine mehrschichtige Struktur, um mit dem CMOS-Prozess kompatibel zu sein, was zu einer Speicherdichte führt, die zu gering ist, um die Kapazitätsanforderungen für den Ersatz von NAND-Flash zu erfüllen. Darüber hinaus sind Kosten und Ertrag zu einem der Engpässe für die groß angelegte Industrialisierung geworden.

schreibe am Ende

Seit Jahren ist die Speicherindustrie auf der Suche nach einer neuen Speichertechnologie.Ob FeRAM, ReRAM, MRAM oder PCM, sie alle zielen darauf ab, die „Performance Wall“- und „Storage Wall“-Probleme herkömmlicher Speicher bis zu einem gewissen Grad zu lösen, die Von-Neumann-Architektur zu durchbrechen und die durch Daten verursachten Verzögerungen und Verzögerungen zu beseitigen Zugriff auf den Stromverbrauch, um ein höheres Rechenleistungs- und Energieeffizienzverhältnis zu erreichen, aber die spezifischen technischen Eigenschaften und Kommerzialisierungsgrade der vier neuen Speichersysteme sind unterschiedlich.

Vergleich zwischen Mainstream-Speichertechnologie und neuer Speichertechnologie

Basierend auf der Analyse verschiedener technischer Merkmale und des Marktstatus sind diese neuen Technologien derzeit nicht in der Lage, DRAM/NAND-Flash-Speicher zu ersetzen. Im Zeitalter des explosionsartigen Datenwachstums verfügen neue Speicher jedoch über eine starke Leistung und eine lange Lebensdauer. Hervorragende Eigenschaften wie Zuverlässigkeit und hohe Temperaturbeständigkeit sollen die Lücke im Speichermarkt schließen und zu einer neuen Wahl im Speicherbereich werden.

Wie am Anfang des Artikels erwähnt, wurden die Mängel der kontinuierlichen technologischen Innovation auf dem aktuellen traditionellen Weg aufgedeckt. Der Markt benötigt dringend Speicherprodukte, die den Anforderungen neuer Szenarien gerecht werden können, und neue Speicher bieten ein Zeitfenster .

Wir müssen jedoch wachsam sein, dass die Speicherindustrie im Entwicklungsprozess neuer Speicher weiterhin DRAM- und NAND-Flash-Speicher ausbaut, was es für neue Speichertypen schwierig macht, einen Platz auf dem Markt einzunehmen.

Mit Blick auf die Zukunft sagen einige Branchenexperten, dass kein einzelner Speichertyp allmächtig ist und alle Anwendungen bewältigen kann. Jede Technologie hat unterschiedliche Eigenschaften und kann unterschiedliche Funktionen gut erfüllen. Es wird erwartet, dass diese fortschrittlichen Speichertechnologien die ersten sein werden, die in Anwendungen zum Einsatz kommen, die ihre einzigartigen Vorteile widerspiegeln und nutzen können.