uutiset

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

1970-luvulta lähtien DRAM on tullut kaupallisille markkinoille, ja siitä on tullut tallennusalan suurin markkina-alue erittäin korkeilla luku- ja kirjoitusnopeuksillaan tallennuskapasiteetille Kysyntä kasvaa, ja edullisesta ja suuren kapasiteetin NAND Flashista on tullut paras valinta.

Nykyään tekoälyaallon nousun myötä HBM on edelläkävijä.

Tallennustekniikka on kehittynyt ja muuttunut viimeisen 50 vuoden aikana, ja nyt se on vähitellen muodostanut tärkeimmät DRAM-, Flash- ja SRAM-kentät.

Puolijohteiden valmistusteknologian siirtyessä kohti pienempiä teknologiasolmuja kuitenkin nousevat sovellusskenaariot ovat asettaneet korkeampia vaatimuksia tietojen tallentamiselle nopeuden, virrankulutuksen, kapasiteetin, luotettavuuden jne. suhteen sekä jatkuvan teknologisen innovaation haittoja perinteisessä tekniikassa. Sittemmin DRAM, NAND Flash jne. ovat joutuneet kohtaamaan yhä suurempia haasteita. Yhdessä näiden tallennustekniikoiden ja loogisten laskentayksiköiden välisen kehitysnopeuden kanssa tämä on rajoittanut huomattavasti tietojenkäsittelyn suorituskyvyn parantamista. ja energiatehokkuus.

Siksi teollisuus on alkanut asettaa suuria toiveita nouseviin tallennusteknologioihin, ja yhä enemmän uusia teknologioita syntyy nopeasti.

Tällä hetkellä teollisuus keskittyy pääasiassa neljään tyyppiin nouseviin muisteihin: ferrosähköiseen muistiin (FeRAM/FRAM), resistiiviseen muistiin (ReRAM/RRAM), magneettiseen muistiin (MRAM) ja vaiheenmuutosmuistiin (PCM).Nämä nousevat muistitekniikat pyrkivät integroimaan SRAM:n kytkentänopeuden ja DRAM:n suuritiheyksiset ominaisuudet Flashin haihtumattomiin ominaisuuksiin.

Voiko DRAMin ja NANDin nykyinen dominointitrendi jatkua vanhan ja uuden teknologian ristiriidassa? Vai korvaavatko uudet muistitekniikat, kuten FeRAM, ReRAM, MRAM tai PCM sen? Mikä on säilytysmarkkinoiden trendi ja kohtalo tulevaisuudessa?

Ferrosähköinen muisti FeRAM, pulassa?

28. heinäkuuta 2022, 7 vuotta 3D XPoint -muistitekniikan lanseerauksen jälkeen, Intel ilmoitti sulkevansa Optane-muistiliiketoimintansa. Varastointiteollisuudelle tämä uutinen ei ehkä tule yllätyksenä. Intelin ensimmäisenä kaupallisena haihtumattoman muistin tuotteena Optanen liiketoiminta ei ole ollut sujuvaa, eikä sen tuotanto koskaan saavuta tasoa, jolla sirujen hinnat ovat kohtuulliset.

Siksi Aoteng ei voi paeta epäonnistumisen päättymistä.

FeRAM on toinen uusi muistiehdokastekniikka. Muistiteollisuus on vuosia kehittänyt FeRAM-muistia ja muita seuraavan sukupolven muistitekniikoita, joiden tarkoituksena on täyttää perinteisen muistin teknologiarajoitukset ja aukot.

FeRAM, koko nimi on Ferroelectric RAM (ferroelectric hajasaantimuisti), joka tunnetaan myös nimellä ferrosähköinen muisti. FeRAM käyttää ferrosähköisiä kidemateriaaleja tallennusvälineinä ja hyödyntää ominaishystereesisilmukan ominaisuuksia ferrosähköisten kidemateriaalien jännitteen ja virran välisessä suhteessa tiedon tallentamiseen.

FeRAM-rakennekaavio

FeRAM-tuotteissa yhdistyvät ROM-muistin haihtumattomat tiedontallennusominaisuudet ja rajattoman lukemisen ja kirjoittamisen, nopean lukemisen ja kirjoittamisen sekä RAM:n alhaisen virrankulutuksen edut.

FeRAMilla on seuraavat tekniset ominaisuudet:

Haihtumaton:FeRAMin merkittävin ominaisuus on, että sen tiedot eivät katoa sähkökatkon jälkeen, ja se on haihtumaton muisti;

Nopea lukeminen ja kirjoittaminen:FeRAMilla on suhteellisen nopeat luku- ja kirjoitusnopeudet, pääsyajat yleensä noin 50 ns ja sykliajat noin 75 ns, mikä tekee siitä edullisen tilanteissa, joissa vaaditaan nopeaa tiedonsaantia;

Pitkä käyttöikä:FeRAM-muistilla on korkea luku- ja kirjoituskestävyys, joka tyypillisesti saavuttaa miljardeja luku- ja kirjoitussyklejä, mikä ylittää huomattavasti perinteiset EEPROM- ja flash-muistit;

Pieni virrankulutus:Koska FeRAM ei vaadi lisätehoa ylläpitääkseen datatilaa dataa tallennettaessa, virrankulutus on suhteellisen alhainen;

Korkea luotettavuus:Yhteensopiva CMOS-prosessin kanssa, laaja käyttölämpötila-alue, korkea luotettavuus.

FeRAMilla on pieni tallennustiheys ja rajoitettu kapasiteetti Vaikka se ei voi täysin korvata DRAMia ja NAND Flashia, sillä on kehityspotentiaalia skenaarioissa, jotka eivät vaadi suurta kapasiteettia, suurta luku- ja kirjoitusnopeutta ja pitkää käyttöikää kellot, kulutuselektroniikka-alat, kuten älykortit ja IoT-laitteet, sekä autot ja teollisuusrobotit.

Kun tarkastellaan kehityshistoriaa, tiedemiehet ehdottivat ferrosähköisten materiaalien konseptia jo vuonna 1952. Massachusetts Institute of Technologyn maisteriopiskelija ehdotti ensimmäisen kerran ferrosähköisten kondensaattoreiden käyttöä tiedon tallennuselementeinä. amerikkalainen Ramtron-yritys (Cypressin osti) alkoi tuottaa matalan tason FeRAM-tuotteita 2T/2C-rakenteella vuonna 1993, Ramtron kehitti maailman ensimmäisen massatuotetun 4Kb:n FeRAM-tuotteen vuonna 1996, Hitachi kehitti 256 kb:n FeRAM-muistin ja lanseerasi sen joulukuussa saman vuoden Listattu.

Sen jälkeen FeRAM:n kehittäminen ja soveltaminen on avannut uuden luvun.

FeRAM, edistyminen on hidasta?

Tällä hetkellä suuria toimijoita FeRAM-markkinoilla ovat Infineon (ostettu Cypress), Fujitsu, Texas Instruments, IBM ja Micron jne. Nämä yritykset tarjoavat useita ratkaisuja sovelluksille, kuten älymittareille, autojärjestelmille, puetettaville laitteille ja IoT-laitteille .

Fujitsulla on nopeita ferrosähköisiä muistituotteita auto- ja teollisuussovelluksiin, ja se on toimittanut niitä teollisuusmarkkinoille yli 20 vuoden ajan. Texas Instruments tarjoaa FeRAM-pohjaisia ​​mikrokontrollereita IoT-laitteille ja puetettaville laitteille. Infineon keskittyy ferrosähköisten muistiratkaisujen tarjoamiseen autojen ja teollisuuden ohjausjärjestelmiin.

Joulukuussa 2023 Micron julkisti 32 Gt:n 3D NVDRAM-tutkimus- ja kehitystuloksensa IEEE IEDM -konferenssissa, mikä on paljon suurempi kuin Fujitsun ja SK Hynixin aiemmat 8 Mt:n tuotteet sekä Infineonin 16 Mt ja Toshiban 128 Mt tuotteet.

On raportoitu, että NVDRAM-muisti perustuu ferrosähköisyyden periaatteeseen ja voi saavuttaa korkean kestävyyden ja alhaisen latenssin lähellä DRAM-muistia samalla kun sen haihtumattomuus on samanlainen kuin NAND-flash-muisti. Tämä nouseva muisti käyttää kaksikerroksista 3D-pinoamista, ja sen 32 Gt:n kapasiteettitiheys asettaa uuden ferrosähköisen muistin ennätyksen. Micron on testannut NVDRAM-näytteitä LPDDR5-spesifikaatioon perustuen ja uskoo sen soveltuvan tekoälykuormitukseen, mutta massatuotantoaikaa ei tiedetä.

Micron sanoi jo maaliskuussa 2021 vetäytyessään Optane 3D XPoint -markkinoilta: "Micron aikoo soveltaa 3D XPoint -ohjelman läpimurroista saatua tietoa sekä siihen liittyvää insinööriosaamista ja resursseja muistikeskeisiin mm. Kehittyvät tuotteet, jotka kohdistuvat muistin tallennuskerrokseen, FeRAM on saattanut olla kohteena."

Lisäksi Jita Semiconductor on myös yhdistänyt voimansa Wuxi Shunming Storage Technology Priority Companyn, kotimaisen nousevan ferrosähköisten muistien toimittajan kanssa lanseeratakseen ensimmäisen kotimaisen 110 nm:n nousevan ferrosähköisen muistituotteen joulukuussa 2023. Nykyiseen teknologiaan verrattuna uusi tuotealue on pienempi. 40% ~ 60%, suorituskykyä on parannettu huomattavasti, ja se on suunniteltu virallisesti massatuotantoon vuoden 2024 ensimmäisellä neljänneksellä.

Jita Semiconductorin nouseva ferrosähköinen muistiprosessitekniikka

Monien ominaisuuksiensa ansiosta FeRAMista odotetaan tulevan yksi muistin kehityssuunnista.

Sen kehittämiseen liittyy kuitenkin myös joitain haasteita: Ensinnäkin FeRAM:n tuottoon vaikuttaa taulukon kokorajoitus ja sitä on edelleen parannettava. Toiseksi FeRAM voi kärsiä kestävyyden heikkenemisestä saavutettuaan tietyn lukujakson, mikä edellyttää käyttöä; materiaalitieteen ja valmistusprosessien edistymisen lisäksi FeRAM:n valmistuskustannukset ovat suhteellisen korkeat, ja niitä on vähennettävä tuotannon laajenemisen ja tekniikan kehityksen myötä.

Jotkut alan toimijat uskovat, että FeRAM ja Optane ovat samassa dilemmassa - ei ole mahdollista saavuttaa massatuotantoa ja siten vähentää kunkin sirun kustannuksia kohtuulliselle tasolle, ja edistyminen on tällä hetkellä hidasta.

Micron on sanonut, että jos markkinat ovat riittävän houkuttelevat, Micron voi tuottaa NVDRAM-tuotteita myyntiin, mutta vain jos se näkee, että teknologian pääomatuotto on suurempi kuin NAND- tai DRAM-sijoittaminen.

Tämä on erittäin suuri kysyntä kapealla sulautettujen muistien markkinoilla.

Jos suuret tallennusvalmistajat, kuten Micron, SK Hynix ja Samsung, eivät ota FeRAM-muistia suuressa mittakaavassa käyttöön, on startup-yrityksillä vielä pitkä matka kehittää ja todistaa tuoteteknologiaansa yhteistyössä valimoiden kanssa. Kunnes nämä olosuhteet täyttyvät, FeRAM saa jäädä vain teknologiainstituuttien tutkimuslaboratorioihin, eikä sitä voida kaupallistaa suuressa mittakaavassa.

ReRAM-muistista on tulossa valtavirtaa

FeRAMiin verrattuna ReRAM-laitteita on kehitetty ja kaupallistettu aktiivisesti, jatkuvasti ja menestyksekkäästi. Autoteollisuus, IoT ja muut sovellukset ovat ReRAMin kasvun ajureita.

ReRAM, koko nimi on Resistive Random Access Memory (resistiivinen hajasaantimuisti), jota kutsutaan resistiiviseksi kytkentämuistiksi tai RRAMiksi.

ReRAM on haihtumaton muisti, joka perustuu johtamattomien materiaalien resistanssiin, joka voidaan reversiibelisti muuntaa suuren resistanssin tilan ja matalavastuksen tilan välillä ulkoisen sähkökentän vaikutuksesta. Yksinkertaisina tallennustekniikkana ReRAM-rakenne näyttää sandwichiltä. Eristävä dielektrinen kerros (resistiivinen kytkentäkerros) on kerrostettu kahden metallikerroksen välissä muodostaen metallidielektrisen kerroksen, joka koostuu ylemmästä ja alemmasta elektrodista ja resistiivisestä kytkentäkerroksesta. (MIM) kolmikerroksinen rakenne.

Johtava filamentti esittää resistiivisessä kerroksessa kaksi päälle- tai poiskytkentätilaa: haihtumattoman matalaresistanssin tilan tai suuren resistanssin tilan, mikä toteuttaa "0"- ja "1"-tilojen erottelun ja varastoinnin.

ReRAM sisältää monia erilaisia ​​teknologiakategorioita Nykyiset valtavirran teknologiareitit sisältävät pääasiassa: happivakanssimuisti OxRAM, johtava siltamuisti CBRAM, metalli-ionimuisti MeRAM ja hiilinanoputki CaRAM, yleensä siirtämällä johtavia elementtejä, kuten metalli-ioneja tai happivaansseja siltoihin, tai poistamalla ne olemassa olevista silloista edustamaan 1 tai 0.

ReRAM-tekniikan ominaisuudet:

Suuri nopeus:ReRAM-muistin tyhjennys- ja kirjoitusnopeus määräytyy pulssin leveyden mukaan, joka laukaisee vastuksen muutoksen, joka on yleensä alle 100 ns;

Vahva kestävyys:ReRAM-luku ja kirjoittaminen eroaa NANDista siinä, että se käyttää palautuvaa ja vaurioitumatonta tilaa, mikä voi pidentää huomattavasti sen käyttöikää;

Monibittinen tallennusmahdollisuus:Joillakin ReRAM-materiaaleilla on myös useita resistanssitiloja, minkä ansiosta yksi muistisolu voi tallentaa useita databittejä, mikä lisää tallennustiheyttä;

ReRAM yhdistää DRAM:n luku- ja kirjoitusnopeuden NAND:n haihtumattomuuteen Kun mitataan kattavasti tiheyden, energiatehokkuuden, kustannusten, prosessin ja tuoton suhteen, ReRAM-muistilla on ilmeisiä etuja olemassa oleviin muisteihin verrattuna.

Monien etujen ansiosta ReRAM on nyt integroitu yhä useampaan prosessiin sulautettuna haihtumattomana muistina (NVM), 130 nm - 22 nm ja alle, ja sitä käytetään älyautoissa, reuna-AI-, MCU-, PMIC- jne. sovelluksissa. Sen ominaisuudet ovat alhainen virrankulutus, alhaiset kustannukset, tavujen osoitettavuus, skaalautuvuus edistyneisiin solmuihin ja vahva sopeutuvuus erilaisiin ympäristöolosuhteisiin.

Lisäksi aivovaikutteinen ReRAM-pohjainen laskenta voi myös murtautua von Neumannin laskenta-arkkitehtuurin pullonkaulan läpi keskipitkällä ja pitkällä aikavälillä, ja sitä pidetään yhtenä parhaista valinnoista tallennuksen ja tietojenkäsittelyn integroimiseksi.

Näillä alueilla nopeat tietojenkäsittely- ja tallennusvaatimukset ovat kriittisiä.

Kilpailu erittäin integroidun, energiatehokkaan ja suorituskykyyn tähtäävän ReRAM-teknologian luomisesta tuo jännittäviä kehityssuuntia tulevaisuuden muistiratkaisuihin useisiin sovelluksiin. Esimerkiksi kuljettajattomissa autoissa tai älykkäissä teollisuusroboteissa ReRAM voi pienen virrankulutuksensa ja kestävyytensä ansiosta käsitellä monimutkaisia ​​datatoimintoja alhaisella energiankulutuksella ja varmistaa tiedon pysyvyyden ja luotettavuuden. Nämä ominaisuudet antavat ReRAMille laajat sovellusmahdollisuudet tulevaisuuden AI-markkinoilla.

ReRAM, kaupallistamisen edistyminen kiihtyi

Itse asiassa ReRAM ei ole uusi konsepti. Se alkoi saada huomiota jo 1960- ja 1970-luvuilla.

Teollisuuden näkökulmasta Panasonic, Renesas, Western Digital, Fujitsu, Samsung, Sony, Adesto ja Crossbar ovat ReRAM-alan suurimpia valmistajia. Valimoiden osalta SMIC, TSMC, UMC, GlobalFoundries jne. kehittävät tai tarjoavat ReRAM-prosesseja valimoasiakkaille.

Sen kehityskulku on suunnilleen seuraava: vuonna 2013 Panasonic ja Adesto toivat markkinoille 180 nm:n ja 130 nm:n ReRAM-tuotteet vuonna 2015, Fujitsu ja Panasonic lanseerasivat yhdessä 4 Mt:n kapasiteetin ReRAM-sirun vuonna 2017 Ja tämän perusteella se tuli ReRAM-markkinoille vuonna 2018, vuonna 2019 Crossbar ja Microsemi lanseerasivat 8 Mt:n kapasiteetin MB85AS8MT ReRAM-sirun , Intel lanseerasi eReRAM-tuotteita käyttämällä 22FFL-prosessia siitä lähtien vuoteen 2024 asti, ja monet yritykset julkaisivat useita 40 nm:n ReRAM-tuotteita jatkaen ReRAM-teknologian kehittämistä.

Tämän vuoden heinäkuussa kotimainen pääpaneelivalmistaja Visionox sai päätökseen maailman ensimmäisen sulautettua ReRAM-tallennustekniikkaa käyttävän AMOLED-näytönohjainsirun kehittämisen ja sertifioinnin.

Raporttien mukaan tämä on ensimmäinen näytönohjainpiiri, joka käyttää sulautettua RRAM-tallennustekniikkaa AMOLEDiin. Verrattuna olemassa olevaan perinteiseen näytönohjainsiruun, joka käyttää sisäänrakennettua SRAM + ulkoista Flash -ratkaisua Demura-kompensointitoiminnon saavuttamiseksi, tämä uusi ohjainsiru poistaa suoraan perinteisen ulkoisen Flash-sirun, mikä ratkaisee tehokkaasti ulkoisen laitteen korkeiden kustannusten ja kompensaatioparametrien ongelmat. Perinteisissä siruissa esiintyvät lukemat Se ratkaisee ongelmat, kuten hitaan nopeuden, ja tuo etuja, kuten alhaisemmat kustannukset, pienempi pinta-ala ja korkeampi tehokkuus. Se on tärkeä läpimurto AMOLED-näytönohjainpiiritekniikassa.

Toukokuussa analyytikkoyritys TechInsights kertoi, että TSMC:n uusin 22ULLin sulautettu resistiivinen kytkentämuisti (eRRAM) on edistynyt merkittävästi tallennusteknologiassa. IoT-ratkaisu, tämä on TSMC:n toisen sukupolven eRRAM-tuote, joka sisältää alan ensimmäisen 22 nm:n CMOS-teknologian ja jonka sanotaan olevan verrattavissa sulautettuun STT-MRAM-muistiin.

Maaliskuussa ByteDancen sijoittama Xinyuan Semiconductor on myös yritys, joka keskittyy uusien ReRAM-tallennusteknologian ja siihen liittyvien sirujen tutkimukseen ja kehittämiseen, joka kattaa korkean suorituskyvyn teollisen ohjauksen, autojen SoC/ASIC-sirut, tallennus- ja laskentaintegroidun (CIM) IP:n ja sirut. , ja järjestelmätason tallennus (SoM) sirut ja muut sovellusalueet.

On raportoitu, että Xinyuan Semiconductor on hallinnut integroidun suljetun silmukan teknologian, joka kattaa laitemateriaalit, prosessiprosessit, sirusuunnittelun, IP-suunnittelun ja pilottimassatuotannon, ja on rakentanut ensimmäisen edistyneen prosessin ReRAM 12 tuuman pilottitaustatuotantolinjan mantereelle. Kiina ja lanseerasivat "Xin·Shanwen" -sarjan ReRAM-suojatut tallennustuotteet ovat saavuttaneet kaupallisen massatuotannon teollisuusautomaation ohjauksen alalla.

Elokuussa 2023 Kiinan tiedeakatemian mikroelektroniikan instituutin akateemikko Liu Mingin tiimi ehdotti uutta RRAM-muistin sisäistä laskentarakennetta, jolla on korkea rinnakkaisuus ja korkea suorituskykysuhde. Laitetasolla tiimi ehdotti tallennus- ja laskentataulukkorakennetta, jossa on painotettu kaksitransistori-memristor (WH-2T1R), joka vähentää loisvaikutusten vaikutusta laskentavirtaan ja vähentää virrankulutusta monikeräysoperaatioissa. Piiritasolla ehdotetaan referenssivirtaa vähentävää virtaa alentavaa tunnistusvahvistimen lukupiiriä, joka vähentää merkittävästi lukupiirin tehonkulutusta. Algoritmien kartoitustasolla ryhmä ehdotti korkean bitin dataredundanssin (MSB_RSM) kartoitusstrategiaa laskennan tarkkuuden parantamiseksi. Nämä ratkaisut on vahvistettu sulautetulla 28 nm:n prosessilla, jonka tiimi on kehittänyt itsenäisesti. ResNet-18-tehtävän RRAM-muistin laskentarakenteen keskimääräinen energiatehokkuus on 30,34TOPS/W, ja se voidaan nostaa arvoon 154,04TOPS/W. optimoida lukemisen ajoitus. Tutkimustulokset julkaistiin "IEEE Journal of Solid-State Circuits" -lehdessä.

Elokuussa 2023 Houmo Intelligent ilmoitti saaneensa päätökseen ensimmäisen kaupallisesti saatavilla olevan suuren kapasiteetin RRAM-muistisirun testauksen ja sovellusskenaarioiden kehittämisen.

Mukana on myös Yizhu Technology, joka keskittyy täysin digitaalisen tallennus- ja laskenta-integroidun tekoälyn kehittämiseen ReRAM-pohjaisten suurten laskentatehosirujen kehittämiseen. Vuonna 2023 Yi Zhu Technology kehitti onnistuneesti ensimmäisen erittäin tarkan, vähän virtaa vaativan tallennus- ja laskentateholla integroidun tekoälyn POC-sirun, joka perustuu memristori RRAM-muistiin (ReRAM). puoluelaitokset, joilla on erinomainen energiatehokkuus Yli 10 kertaa enemmän kuin perinteiset AI-sirut.

Lisäksi vuonna 2015 perustettu israelilais-ranskalainen yhteisyritys Weebit Nano on myös keskittynyt ReRAM-muistiteknologiaan useiden vuosien ajan.

Weebit Nano teki yhteistyötä CMOS-puolijohdevalimo Skywaterin kanssa tarjotakseen ReRAM-moduuleitaan Skywater-asiakkaille ja tuotti täysin toimivan esittelysirun.

Flash Memory Summitissa elokuussa 2023 Weebit Nanon laatu- ja luotettavuusjohtaja Amir Regev esitteli sulautetun ReRAM-markkinoiden kehitystrendit ja Weebit Nanon teknologisen kehityksen ja saavutukset tällä alalla. Hän huomautti, että nousevien haihtumattomien muistien (NVM) markkinoiden odotetaan nousevan 2,7 miljardiin dollariin vuoteen 2028 mennessä, ja ReRAMin odotetaan olevan 37 prosenttia markkinaosuudesta erityisesti sulautetuissa sovelluksissa, kun MCU-toimitukset kasvavat. ReRAMin odotetaan vievän 60 % kiekon tilavuudesta.

Tällä hetkellä Weebit toteuttaa kaupallista toimintamallia lisensoimalla IP-osoitteita puolijohdeyhtiöille ja -tehtaille. Sen ReRAM-teknologia on piivarmennettu 28-130 nm:n prosessisolmussa ja onnistuneesti saatettu päätökseen GlobalFoundriesin 22FDX-alustalla, jonka on tarkoitus käynnistyä vuonna 2024. Mass. tuotantoon.

SkyWaterillä valmistetut Weebitin ReRAM-moduulit ovat suorittaneet keskeiset pätevyydet, mikä on tärkeä virstanpylväs ReRAM-tekniikan kypsässä.

Weebit Nano sanoi, että ReRAM-muistista on tulossa valtavirtaa.

Yllä olevien soveltuvien kenttien lisäksi neuromorfinen laskenta on toinen mahdollinen ReRAM:n sovellusalue.

Jotkut yritykset, kuten Facebook ja Google, ovat kehittäneet koneoppimisjärjestelmiä, jotka käyttävät hermoverkkoja. Neuroverkot auttavat järjestelmiä, joista monet käyttävät FPGA:ita ja GPU:ita SRAM-pohjaisella muistilla, käsittelemään dataa ja tunnistamaan kuvioita. Muistiteollisuus kehittää ReRAM-muistia tälle alueelle, joka on paljon tiheämpi verrattuna GPU/SRAM-arkkitehtuureihin.

Mutta neuromorfiset järjestelmät vaativat useiden pinottujen ReRAM-laitteiden peräkkäin. Ennen kuin ReRAM voi tulla markkinoille, muistiteollisuuden on ensin hallittava ReRAM pienessä mittakaavassa.

Mooren lain asteittain hidastuessa on entistä tärkeämpää löytää tehokkaita tallennustekniikoita, jotka voivat vastata seuraavan sukupolven tietojenkäsittelyn tarpeisiin. Tässä yhteydessä ReRAM on osoittanut suurta potentiaalia.

Vaikka ReRAM-tekniikka on lupaava seuraavan sukupolven muistiratkaisuna, se kohtaa silti tiettyjä haasteita, jotka estävät sen laajaa käyttöönottoa. Ensimmäinen on "hiivapolku" -ongelma, joka aiheuttaa virtavuodon ja voi johtaa virheellisiin muistilukuihin. Toiseksi on olemassa huoli happivaantojen muodostumisesta ja vakaudesta, jotka ovat kriittisiä ReRAMin tukeman resistiivisen kytkentämekanismin kannalta. Lisäksi yhtenäisen sähkökentän luominen muistisoluun luotettavaa vaihtoa varten on myös suunnittelun este. Jälleen, vaikka ReRAM tarjoaa energiatehokkuutta verrattuna perinteisiin muisteihin, kuten flash-muistiin, tämän ominaisuuden parantaminen vastaamaan erittäin vähän virtaa kuluttavien sovellusten tarpeita on tekninen este.

Lyhyellä aikavälillä ReRAM ei korvaa NANDia tai muuta valtavirran muistia, mutta se löytää paikkansa erityisesti sulautetuissa järjestelmissä ja muilla alueilla, jotka vaativat korkeaa suorituskykyä, alhaista virrankulutusta, miniatyrisointia ja suuritiheyksisiä tallennusratkaisuja.

MRAM erottuu joukosta

FeRAM:n ja ReRAM:n lisäksi myös muista nousevista muistitekniikoista, kuten MRAM ja PCM, on keskusteltu laajasti. Jokaisella näistä teknologioista on omat ainutlaatuiset etunsa ja sovellusskenaarionsa, mutta se kohtaa myös omat haasteensa.

Jatkuvasti kehittyvässä teknologiaympäristössä tietyt innovaatiot erottuvat potentiaalistaan ​​muuttaa toimialoja ja määritellä uudelleen suorituskykystandardeja. Magnetoresistiivinen hajasaantimuisti (MRAM) on suuri läpimurto.

MRAM, Magneettinen RAM, joka tunnetaan myös nimellä magneettinen muisti, on tunnelointimagneettiresistanssivaikutukseen perustuva tekniikka.

MRAM käyttää magneettisia tunneliliitoksia (MTJ) perusmuistiyksikkönä. Jokainen MTJ koostuu kahdesta kerroksesta magneettisia materiaaleja, jotka on kerrostettu ohuella eristekerroksella Riippuen siitä, ovatko kahden magneettimateriaalikerroksen magnetointisuunnat yhdenmukaiset, MTJ näyttää erilaisia ​​vastusarvoja tietojen tallentamiseksi. MRAM yhdistää DRAMin nopean luku- ja kirjoitussuorituskyvyn SRAM:n haihtumattomiin ominaisuuksiin. Sen edut ovat myös alhainen virrankulutus, korkea kestävyys, laaja käyttölämpötila-alue ja lähes rajattomat poisto- ja kirjoitusjaksot.

MRAM-kaavio

MRAM:n tekniset ominaisuudet:

Haihtumaton:Ferromagneettien magnetismi ei katoa sähkökatkoksen vuoksi, ja MRAM on haihtumaton;

Rajoittamattomat luku- ja kirjoitusajat:Ferromagneettien magnetismi ei vain katoa, kun virta katkaistaan, vaan sen katsotaan melkein koskaan katoavan. Siksi MRAM- ja DRAM-muistit voidaan kirjoittaa uudelleen loputtomiin.

Nopea kirjoitusnopeus ja alhainen virrankulutus:MRAM-muistin kirjoitusaika voi olla niinkin alhainen kuin 2,3 n ja virrankulutus on erittäin alhainen, mikä voi toteuttaa välittömän virran päälle ja pois ja pidentää kannettavien tietokoneiden akun käyttöikää;

Korkea integrointi logiikkasirujen kanssa:MRAM-yksiköt voidaan helposti upottaa logiikkapiirisiruihin, ja vain yksi tai kaksi fotolitografiamaskin vaativaa vaihetta lisätään taustapään metallointiprosessiin. Lisäksi MRAM-solut voidaan valmistaa kokonaan sirun metallikerroksessa ja jopa 2-3 kerrosta soluja voidaan pinota, joten sillä on potentiaalia rakentaa suuria muistiryhmiä logiikkapiireihin.

MRAM-tutkimus keskittyy tallennustiheyden parantamiseen, kirjoitusenergian vähentämiseen, luku- ja kirjoitusnopeuksien lisäämiseen sekä valmistusprosessin yhteensopivuuden ja kustannustehokkuuden parantamiseen. STT-MRAMista on tullut tutkimuksen hotspot alhaisemman kirjoitusvirran ja paremman skaalautuvuuden ansiosta, kun taas SOT-MRAM on herättänyt huomiota mahdollisuuksiensa ansiosta saavuttaa alhaisempi virrankulutus ja nopeampi kytkentänopeus.

MRAM on haihtumaton muisti, joka on nopeampi, kestävämpi ja kuluttaa vähemmän virtaa kuin perinteiset tekniikat, ja se on saamassa jalansijaa useilla aloilla, mukaan lukien autoteollisuus, teollisuus, puettavat laitteet, ilmailu ja puolustus.

Tyypillisesti patenttihakemukset ovat selvä merkki siitä, että tekniikka saa paljon huomiota – mitä merkityksellisempi teknologia on kaupallisille sovelluksille, sitä suurempi on patenttihakemusten määrä.

LexisNexis-tilastojen mukaan patenttihakemusten määrä MRAM-markkinoilla pysyi vakaana vuosina 2004-2013, noin 300-400 patenttihakemusta vuodessa. Huippu oli vuonna 2011. Lisätutkimukset paljastivat, että Toshiba lisäsi patenttihakemuksiaan tällä teknologia-alueella vuonna 2011, mikä johti tähän nousuun.

Patenttihakemusten trendit ja IEEE-julkaisut MRAM-alalla viimeisen 20 vuoden aikana

On syytä huomata, että kaavion lopussa oleva pudotus ei edusta kiinnostuksen laskua, vaan pikemminkin viivettä patenttihakemuksen ja julkaisun välillä.

On selvää, että ottaen huomioon patenttisalkun koon, LexisNexis jakoi kymmenen parasta yritystä kolmeen luokkaan:

Vahvojen patenttisalkkujen omistajat: Samsung, Kioxia ja TSMC;

Seuraajat: TDK ja IBM;

muut yritykset.

MRAM-alan 10 parhaan yrityksen laatu patenttisalkun vahvuuden mukaan

MRAM, kaupallinen potentiaali korostettuna

MRAM:n kehityshistoriaa muistelemalla TSMC allekirjoitti jo vuonna 2002 MRAM-yhteistyön kehittämissuunnitelman Taiwan Industrial Research Instituten kanssa.

Ensimmäinen kaupallinen MRAM oli Freescale Semiconductorin vuonna 2006 valmistama 4 Mt:n Toggle-MRAM, ja myös muut yritykset lanseerasivat siihen liittyviä tuotteita. laite pieneni lähes 60 % vuonna 2017, Pekingin ilmailu- ja astronautiikkayliopisto ja Kiinan tiedeakatemian mikroelektroniikan instituutti valmistivat yhdessä onnistuneesti maan ensimmäisen 80 nanometrin STT-MRAM-laitteen.

Kesäkuussa 2023 Shenzhen Songshan Lake Materials Laboratoryn Spin Quantum Materials and Devices Research Group teki yhteistyötä Kalifornian yliopiston Los Angelesissa, King Abdullahin tiede- ja teknologiayliopiston, Kiinan elektroniikkatieteen ja teknologian yliopiston sekä Institute of Technologyn kanssa. Physics, Kiinan tiedeakatemia, toteuttaa topologinen eristepohjainen ja edistyneempi SOT-MRAM-muistilaite, jossa yhdistyy suuri tallennustiheys kohtisuoraan magneettiseen anisotropiatunneliliitokseen (pMTJ). TSMC on kehittänyt vastaavia MRAM-tuotelinjoja, kuten 16/12nm prosessia.

Myös vuonna 2023 NXP teki yhteistyötä TSMC:n kanssa kehittääkseen yhdessä alan ensimmäisen autoteollisuuden 16 nanometrin FinFET-sulautetun MRAM-muistin tukemaan seuraavan sukupolven autoarkkitehtuuria. Tämä yhteistyö korostaa MRAM:n kasvavaa merkitystä autoteollisuudessa, jonka tavoitteena on parantaa edistyneiden autosovellusten suorituskykyä ja luotettavuutta.

Tämän vuoden tammikuun 18. päivänä TSMC ja Industrial Research Institute ilmoittivat onnistuneesta SOT-MRAM-piirisirujen kehittämisestä, mikä merkitsee suurta läpimurtoa seuraavan sukupolven MRAM-muistitekniikan alalla. Tämä innovatiivinen tuote ei vain käytä edistynyttä laskenta-arkkitehtuuria, vaan sen virrankulutus on vain 1 % vastaavan tekniikan STT-MRAM:ista.

Lisäksi TSMC tutkii aktiivisesti SOT-MRAM:ia ja VC-MRAM:ia ja tekee yhteistyötä ulkopuolisten tutkimuslaboratorioiden, konsortioiden ja akateemisten kumppaneiden kanssa.

Top 10 yritystä, joilla on innovaatiokypsyys MRAM-alalla

Melkein samaan aikaan TSMC:n kanssa Samsung julkisti MRAM-kehityssuunnitelmansa vuonna 2002. Vuonna 2005 Samsung otti johtoaseman STT-MRAM:n tutkimuksessa ja kehittämisessä. Tämän tekniikan osoitettiin myöhemmin täyttävän viimeisimmän tason välimuistin suorituskykyvaatimukset korkean suorituskyvyn laskennassa, ja sitä pidettiin tehokkaana työkaluna. murtautua markkinaraon läpi.

Alkuvuodesta 2022 Samsung Electronics julkaisi maailman ensimmäisen MRAM-pohjaisen muistin sisäisen laskennan tutkimuksen huipputieteellisessä Nature-lehdessä. Samsung julkisti SFF 2023 -messuilla Euroopassa visionsa mullistaa seuraavan sukupolven autotekniikka ja aikoo kehittää Samsungin ensimmäisen 5 nm:n eMRAM-muistin. Sen lisäksi, että se tuo markkinoille 14 nm:n eMRAM-muistin vuoteen 2024 mennessä, yhtiö aikoo myös laajentaa eMRAM-tuotevalikoimaansa 8 nm:llä vuoteen 2026 mennessä ja 5 nm:llä vuoteen 2027 mennessä. Verrattuna 14 nm:n prosessiin, 8 nm:n eMRAMin odotetaan lisäävän tiheyttä 30 % ja nopeutta 33 %.

Kaikkien näiden uusien muistiteknologioiden joukossa MRAM on yksi teknologioista, joilla on suurempi kaupallinen potentiaali.

Vaikka MRAM-muistilla on kestävyyden ja massatuotannon edut, MRAM-muistissa on myös monia haasteita, kuten todellisen laitteen monimutkainen materiaalijärjestelmä, alhainen kytkentäsuhde ja CMOS-prosessin on oltava täysin yhteensopivat. Lisäksi MRAM:n kehityksessä kohtaa edelleen pullonkauloja dynaamisessa virrankulutuksessa, energian viivetehokkuudessa ja luotettavuudessa.

Yleisesti ottaen MRAM on vielä kaukana kypsästä tekniikasta, eikä sen kustannusetua ole vielä korostettu. Lisäksi voidaan sanoa, että MRAM on nyt lupaavampi DRAM tai NAND, MRAM:illa on vielä pitkä matka kuljettavana.

PCM, avaa uuden laskennan paradigman

PCM, Phase-change RAM, joka tunnetaan myös nimellä Phase-change Memory tai PCRAM.

PCM:n periaate on muuntaa faasimuutosmateriaali alhaisen resistanssin kiteisen (johtavan) tilan ja korkearesistanssin amorfisen (ei-johtavan) tilan välillä muuttamalla lämpötilaa ja käyttää näiden kahden tilan välistä johtavuuseroa erottamaan " 0 ja 1". Tämä mahdollistaa tietojen tallennuksen.

PCM-kaavio

PCM:llä on NAND-haihtumattomuus ja DRAM:n korkea luku- ja kirjoitusnopeus sekä pitkä käyttöikä. Sen etuna on myös alhainen latenssi, suuri tiheys, alhainen virrankulutus ja yhteensopivuus CMOS-tekniikan kanssa muisti ja päämuisti. Kaksi yhdessä -mahdollisuutta odotetaan tulevan käyttöön korkean suorituskyvyn datakeskuksissa, palvelimissa, esineiden Internetissä ja muissa skenaarioissa.

PCM:n tekniset ominaisuudet:

Matala latenssi, tasapainoiset luku- ja kirjoitusajat:PCM:n ei tarvitse poistaa aiempaa koodia tai tietoja ennen päivityskoodin kirjoittamista, joten PCM:n luku- ja kirjoitusnopeus paranee NAND Flashiin verrattuna ja luku- ja kirjoitusaika on tasapainoisempi;

Pitkä käyttöikä:PCM:n lukeminen ja kirjoittaminen ei vahingoita, joten sen kirjoituskestävyys ylittää huomattavasti flash-muistin PCM:n käyttäminen perinteisten mekaanisten kiintolevyjen korvaamiseen.

Pieni virrankulutus:PCM:ssä ei ole mekaanista pyörivää laitetta, eikä se vaadi päivitysvirtaa koodin tai tietojen tallentamiseen. Siksi PCM:n virrankulutus on pienempi kuin HDD:n, NAND:n ja DRAM:n.

Suuri tiheys:Jotkut PCM:t käyttävät ei-transistorimalleja korkeatiheyksisen tallennustilan saavuttamiseksi;

Hyvä säteilynkestävyys:PCM-tallennustekniikalla ei ole mitään tekemistä materiaalin varautuneiden hiukkasten tilan kanssa, joten sillä on vahva avaruussäteilyn vastustuskyky ja se voi täyttää maanpuolustuksen ja ilmailun tarpeet.

Tällä hetkellä PCM:lle ei ole löydetty selvää fyysistä rajaa. Tutkimukset osoittavat, että vaikka faasimuutosmateriaali pienennetään 2 nm:n paksuuteen, muistilaite voi silti muuttua. Siksi PCM voi ratkaista muistitekniikan fyysisen raja-ongelman ja tulla yhdeksi uuden sukupolven puolijohdemuistilaitteista tulevaisuudessa.

Vuonna 2006 Intel teki yhteistyötä Samsungin kanssa ensimmäisen kaupallisen PCM-sirun tuottamiseksi. Vuonna 2015 Intel ja Micron kehittivät yhdessä vallankumouksellisen PCM-muistisirun-3D Xpointin. Ensimmäinen nimesi teknologian Optane ja jälkimmäinen QuantX.

3D Xpoint -teknologia on saavuttanut mullistavan läpimurron haihtumattoman muistin alalla. Vaikka sen nopeus on hieman hitaampi kuin DRAM, sen kapasiteetti on suurempi kuin DRAM ja 1000 kertaa nopeampi kuin flash-muisti.

Mutta sen puutteet ovat myös ilmeisiä, 3D Xpoint käyttää pinoamisrakennetta. Koska mitä enemmän kerroksia pinotaan, sitä enemmän maskeja tarvitaan, ja koko IC-valmistusteollisuudessa maskit ovat suurimmat kustannukset. Siksi valmistuksen näkökulmasta on erittäin vaikeaa saavuttaa 3D-pinottu rakenne, jossa on kymmeniä kerroksia.

Intelin Optane-muistiliiketoiminnan sulkemisen myötä myös 3D XPoint -muistitekniikka on tullut päätökseen.

Teollisuus kuitenkin kehittää edelleen PCM-teknologiaa. Vuoden 2022 alussa Huazhongin tiede- ja teknologiayliopiston integroitujen piirien koulun tiedontallennusmateriaalien ja -laitteiden instituutti (ISMD) ja Xi'an Jiaotongin yliopiston materiaaliinnovaatio- ja suunnittelukeskus (CAID) kehittivät vaiheenmuutosmuistin. amorfinen verkkorakenne, virrankulutus 0,05 Alle pJ, virrankulutus on tuhat kertaa pienempi kuin valtavirran tuotteilla.

Tämän vuoden huhtikuussa Korean tiede- ja teknologiaakatemia ilmoitti, että sähkötekniikan korkeakoulun professori Shinhyun Choin johtama tutkimusryhmä on kehittänyt seuraavan sukupolven vaihemuutosmuistilaitteen. Asiaankuuluvat tulokset on julkaistu Nature-lehdessä Kirjoituksen otsikko on: "Vaihemuutosmuisti faasimuutosten itserajoitetun nanofilamentin kautta".

Paperi esittelee uuden PCM-laitteen, joka käyttää vaihemuutettavia SiTex-nanojohtoja vähentämään tehokkaasti PCM-nollausvirtaa. Tämä innovatiivinen muotoilu voi vähentää merkittävästi palautusvirtaa valmistuskustannuksista tinkimättä. Erityisesti kehitetyllä nanofilamentti-PCM:llä on noin 10 μA:n erittäin pieni palautusvirta, joka on yhdestä kahteen suuruusluokkaa pienempi kuin erittäin skaalautuvilla tavanomaisilla PCM:illä.

Tämä PCM-tekniikan läpimurto on tärkeä askel teollisuudelle uuden tietojenkäsittelyparadigman avaamisessa, erityisesti sovelluksissa, jotka voivat hyötyä PCM:n ainutlaatuisista ominaisuuksista.

Vaikka PCM:llä on monia etuja, PCM:ssä on myös joitain ilmeisiä puutteita tällä hetkellä monia sovellusten pullonkauloja, mikä johtaa pysähtyneeseen kaupallistamiseen. Ensinnäkin, koska PCM-varastointiprosessi perustuu lämpötilan säätelyyn ja on erittäin herkkä lämpötilalle, sitä ei voida soveltaa laajoihin lämpötilaskenaarioihin. Toiseksi PCM-muisti ottaa käyttöön monikerroksisen rakenteen ollakseen yhteensopiva CMOS-prosessin kanssa, mikä johtaa tallennustiheyteen, joka on liian pieni NAND Flashin korvaamisen kapasiteettivaatimusten täyttämiseksi. Lisäksi kustannuksista ja tuotosta on tullut myös yksi sen laajamittaisen teollistumisen pullonkauloista.

kirjoittaa loppuun

Muistiteollisuus on jo vuosia etsinyt uutta tallennustekniikkaa.Olipa kyseessä FeRAM, ReRAM, MRAM tai PCM, ne kaikki pyrkivät ratkaisemaan perinteisen tallennustilan "suorituskykyseinä"- ja "tallennusseinä"-ongelmia jossain määrin, rikkomaan von Neumannin arkkitehtuurin ja eliminoimaan datan aiheuttamat viiveet ja viiveet. virrankulutus korkeamman laskentatehon ja energiatehokkuuden saavuttamiseksi, mutta neljän uuden tallennusjärjestelmän erityiset tekniset ominaisuudet ja kaupallistamistasot ovat erilaisia.

Valtavirran tallennusteknologian ja kehittyvän tallennustekniikan vertailu

Erilaisten teknisten ominaisuuksien ja markkinatilanteen analyysin perusteella näillä uusilla teknologioilla ei tällä hetkellä ole kykyä korvata DRAM/NAND-flash-muistia. Kuitenkin räjähdysmäisen tiedonkasvun aikakaudella kehittyvällä tallennustilalla on vahva suorituskyky, pitkä käyttöikä. Erinomaisten ominaisuuksien, kuten luotettavuuden ja korkeiden lämpötilojen kestävyyden, odotetaan täyttävän muistimarkkinoiden aukon ja tulevan uudeksi valinnaksi muistialalla.

Kuten artikkelin alussa mainittiin, jatkuvan teknologisen innovaation puutteet nykyisellä perinteisellä tiellä on paljastettu. Markkinat tarvitsevat kipeästi muistituotteita, jotka voivat vastata uusien skenaarioiden tarpeisiin, ja kehittyvällä tallennustilalla on mahdollisuus. .

Meidän on kuitenkin oltava valppaina, että kehittyvän tallennustilan kehitysprosessissa muistiteollisuus jatkaa DRAM- ja NAND-flash-muistin laajentamista, mikä vaikeuttaa uusien muistityyppien ottamista markkinoille.

Tulevaisuuteen katsoen jotkut alan asiantuntijat sanovat, että mikään yksittäinen muistityyppi ei ole kaikkivoipa ja pystyy käsittelemään kaikkia sovelluksia. Jokaisella tekniikalla on erilaiset ominaisuudet ja se on hyvä suorittamaan erilaisia ​​toimintoja. On odotettavissa, että näitä kehittyneitä tallennustekniikoita käytetään ensimmäisenä sovelluksissa, jotka voivat heijastaa ja hyödyntää niiden ainutlaatuisia etuja.