berita

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

Sejak tahun 1970-an, DRAM telah memasuki pasar komersial dan telah menjadi pasar cabang terbesar di bidang penyimpanan dengan kecepatan baca dan tulis yang sangat tinggi. Setelah munculnya ponsel berfitur, pasar NOR Flash meledak di era PC, permintaan masyarakat untuk kapasitas penyimpanan Permintaan semakin meningkat, dan NAND Flash berbiaya rendah dan berkapasitas tinggi telah menjadi pilihan terbaik.

Saat ini, dengan munculnya gelombang AI, HBM memimpin.

Teknologi penyimpanan telah berkembang dan berubah selama 50 tahun terakhir, dan sekarang secara bertahap membentuk bidang utama DRAM, Flash, dan SRAM.

Namun, karena teknologi manufaktur semikonduktor terus bergerak menuju node teknologi yang lebih kecil, skenario aplikasi yang muncul telah mengedepankan persyaratan yang lebih tinggi untuk penyimpanan data dalam hal kecepatan, konsumsi daya, kapasitas, keandalan, dll., dan kelemahan dari inovasi teknologi yang berkelanjutan dalam teknologi tradisional. Sejak itu, DRAM, NAND Flash, dll. mulai menghadapi tantangan yang semakin berat. Ditambah dengan ketidaksesuaian dalam kecepatan pengembangan antara teknologi penyimpanan dan unit komputasi logis, hal ini sangat membatasi peningkatan kinerja komputasi lebih lanjut. dan efisiensi energi.

Oleh karena itu, industri mulai menaruh harapan besar pada teknologi penyimpanan yang sedang berkembang, dan semakin banyak teknologi baru yang bermunculan dengan cepat.

Saat ini, industri ini terutama berfokus pada empat jenis memori yang muncul: memori feroelektrik (FeRAM/FRAM), memori resistif (ReRAM/RRAM), memori magnetik (MRAM), dan memori perubahan fase (PCM).Teknologi memori yang muncul ini bertujuan untuk mengintegrasikan kecepatan peralihan SRAM dan karakteristik DRAM dengan kepadatan tinggi, dengan karakteristik Flash yang non-volatil.

Menghadapi konflik antara teknologi lama dan baru, dapatkah tren dominasi industri DRAM dan NAND saat ini terus berlanjut? Atau akankah teknologi memori baru seperti FeRAM, ReRAM, MRAM atau PCM menggantikannya? Seperti apa tren masa depan dan nasib pasar penyimpanan?

Memori feroelektrik FeRAM, dalam masalah?

Pada tanggal 28 Juli 2022, 7 tahun setelah peluncuran teknologi memori 3D XPoint, Intel mengumumkan akan menutup bisnis memori Optane-nya. Bagi industri penyimpanan, berita ini mungkin tidak mengejutkan. Sebagai produk komersial pertama Intel untuk memori non-volatil, kemajuan bisnis Optane tidak berjalan mulus, dan outputnya tidak akan pernah mencapai tingkat di mana harga chip masuk akal.

Oleh karena itu, Aoteng tidak bisa lepas dari akhir kegagalan.

FeRAM adalah teknologi kandidat memori baru lainnya. Selama bertahun-tahun, industri memori telah mengembangkan FeRAM dan teknologi memori generasi mendatang lainnya yang bertujuan untuk mengisi keterbatasan dan kesenjangan teknologi pada memori tradisional.

FeRAM, nama lengkapnya adalah Ferroelectric RAM (feroelectric random access memory), juga dikenal sebagai memori feroelektrik. FeRAM menggunakan bahan kristal feroelektrik sebagai media penyimpanan dan memanfaatkan karakteristik loop histeresis dalam hubungan antara tegangan dan arus bahan kristal feroelektrik untuk mencapai penyimpanan informasi.

Diagram struktur FeRAM

Produk FeRAM menggabungkan karakteristik penyimpanan data non-volatil ROM dengan keunggulan membaca dan menulis tanpa batas, membaca dan menulis berkecepatan tinggi, dan konsumsi daya RAM yang rendah.

FeRAM memiliki beberapa fitur teknis berikut:

Tidak mudah menguap:Fitur FeRAM yang paling menonjol adalah datanya tidak akan hilang setelah listrik mati, dan merupakan memori non-volatile;

Membaca dan menulis berkecepatan tinggi:FeRAM memiliki kecepatan baca dan tulis yang relatif cepat, dengan waktu akses biasanya sekitar 50ns dan waktu siklus sekitar 75ns, sehingga menguntungkan dalam situasi di mana akses data cepat diperlukan;

Umur panjang:FeRAM memiliki daya tahan baca dan tulis yang tinggi, biasanya mampu mencapai miliaran siklus baca dan tulis, jauh melebihi EEPROM tradisional dan memori flash;

Konsumsi daya rendah:Karena FeRAM tidak memerlukan daya tambahan untuk mempertahankan status data saat menyimpan data, konsumsi dayanya relatif rendah;

Keandalan tinggi:Kompatibel dengan proses CMOS, rentang suhu pengoperasian yang luas, keandalan yang tinggi.

FeRAM memiliki kepadatan penyimpanan yang rendah dan kapasitas yang terbatas. Meskipun tidak dapat sepenuhnya menggantikan DRAM dan NAND Flash, FeRAM memiliki potensi pengembangan dalam skenario yang tidak memerlukan kapasitas tinggi, kecepatan dan frekuensi membaca dan menulis yang tinggi, serta masa pakai yang lama jam tangan, bidang elektronik konsumen seperti kartu pintar dan perangkat IoT, serta mobil dan robot industri.

Melihat kembali sejarah perkembangan, para ilmuwan mengusulkan konsep bahan feroelektrik sejak tahun 1920, seorang mahasiswa master di Institut Teknologi Massachusetts pertama kali mengusulkan konsep penggunaan kapasitor feroelektrik sebagai elemen penyimpanan data dalam sebuah makalah; perusahaan Ramtron Amerika (diakuisisi oleh Cypress) mulai memproduksi produk FeRAM tingkat rendah dengan struktur 2T/2C; pada tahun 1993, Ramtron mengembangkan produk FeRAM 4Kb yang diproduksi secara massal pertama di dunia pada tahun 1996, Hitachi mengembangkan FeRAM 256kb dan meluncurkannya pada bulan Desember pada tahun yang sama Terdaftar.

Sejak itu, pengembangan dan penerapan FeRAM membuka babak baru.

FeRAM, kemajuannya lambat?

Saat ini, pemain utama di pasar FeRAM termasuk Infineon (mengakuisisi Cypress), Fujitsu, Texas Instruments, IBM dan Micron, dll. Perusahaan-perusahaan ini menyediakan berbagai solusi untuk aplikasi seperti smart meter, sistem otomotif, perangkat yang dapat dikenakan, dan produk memori feroelektrik .

Fujitsu memiliki produk memori feroelektrik berkecepatan tinggi untuk aplikasi otomotif dan industri dan telah mengirimkannya ke pasar industri selama lebih dari 20 tahun; Texas Instruments menyediakan mikrokontroler berbasis FeRAM untuk perangkat IoT dan perangkat yang dapat dikenakan IBM menyediakan aplikasi server Menyediakan teknologi memori feroelektrik; Infineon berfokus pada penyediaan solusi memori feroelektrik untuk sistem kontrol otomotif dan industri.

Pada bulan Desember 2023, Micron mengungkapkan hasil penelitian dan pengembangan NVDRAM 3D 32Gb di konferensi IEEE IEDM, yang jauh lebih besar dibandingkan produk 8Mb sebelumnya dari Fujitsu dan SK Hynix, serta produk 16Mb dari Infineon dan produk 128Mb dari Toshiba.

Dilaporkan bahwa memori NVDRAM didasarkan pada prinsip feroelektrik dan dapat mencapai daya tahan tinggi dan latensi rendah mendekati DRAM sekaligus memiliki non-volatilitas yang mirip dengan memori flash NAND. Memori baru ini menggunakan penumpukan 3D dua lapis, dan kepadatan kapasitasnya sebesar 32 Gb memecahkan rekor baru untuk memori feroelektrik. Micron telah menguji sampel NVDRAM berdasarkan spesifikasi LPDDR5 dan yakin bahwa sampel tersebut cocok untuk beban AI, tetapi waktu produksi massalnya tidak diketahui.

Pada awal Maret 2021, Micron mengatakan ketika mereka menarik diri dari pasar Optane 3D XPoint: "Micron berencana untuk menerapkan pengetahuan yang diperoleh dari terobosan dalam program 3D XPoint, serta keahlian dan sumber daya teknik terkait, ke fokus pada memori. produk baru yang menargetkan lapisan penyimpanan memori, FeRAM mungkin menjadi targetnya.”

Selain itu, Jita Semiconductor juga telah bekerja sama dengan Wuxi Shunming Storage Technology Priority Company, pemasok memori feroelektrik domestik yang sedang berkembang, akan meluncurkan produk memori feroelektrik 110nm domestik pertama pada bulan Desember 2023. Dibandingkan dengan teknologi yang ada, area produk baru lebih kecil. 40%~60%, performanya telah meningkat pesat, dan rencananya akan diproduksi massal secara resmi pada kuartal pertama tahun 2024.

Teknologi proses memori feroelektrik Jita Semiconductor yang sedang berkembang

Dengan banyaknya fitur yang dimilikinya, FeRAM diharapkan dapat menjadi salah satu arah pengembangan memori masa depan.

Namun, pengembangannya juga menghadapi beberapa tantangan: Pertama, hasil FeRAM dipengaruhi oleh batasan ukuran array dan perlu ditingkatkan lebih lanjut; kedua, FeRAM mungkin mengalami penurunan daya tahan setelah mencapai jumlah siklus baca tertentu, yang memerlukan penggunaan ilmu material dan kemajuan proses manufaktur; selain itu, biaya produksi FeRAM relatif tinggi dan perlu dikurangi seiring dengan perluasan skala produksi dan kemajuan teknologi.

Beberapa orang di industri percaya bahwa FeRAM dan Optane berada dalam dilema yang sama - tidak ada cara yang layak untuk mencapai produksi massal sehingga mengurangi biaya setiap chip ke tingkat yang terjangkau, dan kemajuan saat ini lambat.

Micron mengatakan bahwa jika pasarnya cukup menarik, Micron dapat memproduksi produk NVDRAM untuk dijual, namun hanya jika Micron melihat bahwa keuntungan modal dari teknologi tersebut akan lebih tinggi dibandingkan berinvestasi pada NAND atau DRAM.

Ini adalah permintaan yang sangat besar untuk ceruk pasar memori tertanam.

Jika produsen penyimpanan besar seperti Micron, SK Hynix, dan Samsung tidak mengadopsi memori FeRAM dalam skala besar, jalan yang harus ditempuh bagi startup untuk mengembangkan dan membuktikan teknologi produk mereka melalui kerja sama dengan pengecoran logam masih jauh. Sampai keadaan ini terjadi, FeRAM hanya boleh berada di laboratorium penelitian lembaga teknologi dan tidak dapat dikomersialkan dalam skala besar.

Memori baru ReRAM menjadi arus utama

Dibandingkan dengan FeRAM, perangkat ReRAM telah secara aktif, terus menerus, dan berhasil dikembangkan dan dikomersialkan. Otomotif, IoT, dan aplikasi lainnya merupakan salah satu pendorong pertumbuhan ReRAM.

ReRAM, nama lengkapnya adalah Resistive Random Access Memory (memori akses acak resistif), disebut sebagai resistive switching memory atau RRAM.

ReRAM adalah memori non-volatil berdasarkan ketahanan bahan non-konduktif yang dapat diubah secara reversibel antara keadaan resistansi tinggi dan resistansi rendah di bawah pengaruh medan listrik eksternal. Sebagai teknologi penyimpanan paling sederhana, struktur ReRAM terlihat seperti sandwich. Lapisan dielektrik isolasi (lapisan pengalih resistif) diapit di antara dua lapisan logam, membentuk lapisan logam-dielektrik yang terdiri dari elektroda atas dan bawah serta lapisan pengalih resistif. . (MIM) struktur tiga lapis.

Filamen konduktif menghadirkan dua keadaan hidup atau mati pada lapisan resistif: keadaan resistansi rendah non-volatil atau keadaan resistansi tinggi, sehingga mewujudkan perbedaan dan penyimpanan keadaan "0" dan "1".

ReRAM mencakup banyak kategori teknologi yang berbeda. Rute teknologi arus utama saat ini terutama meliputi: memori kekosongan oksigen OxRAM, memori jembatan konduktif CBRAM, memori ion logam MeRAM dan CaRAM tabung nano karbon, biasanya dengan memindahkan elemen konduktif seperti ion logam atau kekosongan oksigen ke dalam Jembatan, atau dengan menghapusnya dari jembatan yang ada, untuk mewakili 1 atau 0.

Fitur teknologi ReRAM:

Kecepatan tinggi:Kecepatan penghapusan dan penulisan ReRAM ditentukan oleh lebar pulsa yang memicu perubahan resistansi, yang umumnya kurang dari 100ns;

Daya tahan yang kuat:Pembacaan dan penulisan ReRAM berbeda dari NAND karena ia mengadopsi mode reversibel dan bebas kerusakan, yang dapat memperpanjang umur layanannya;

Kemampuan penyimpanan multi-bit:Beberapa material ReRAM juga memiliki beberapa status resistansi, sehingga memungkinkan satu sel memori untuk menyimpan banyak bit data, sehingga meningkatkan kepadatan penyimpanan;

ReRAM menggabungkan kecepatan baca dan tulis DRAM dengan non-volatilitas NAND. Jika diukur secara komprehensif dalam hal kepadatan, rasio efisiensi energi, biaya, proses, dan hasil, memori ReRAM memiliki keunggulan yang jelas dibandingkan memori yang sudah ada.

Dengan berbagai keunggulan, ReRAM kini diintegrasikan ke dalam lebih banyak proses sebagai memori non-volatile tertanam (NVM), dari 130nm hingga 22nm ke bawah, dan digunakan dalam aplikasi mobil pintar, edge AI, MCU, PMIC, dll. Ia memiliki karakteristik konsumsi daya yang rendah, biaya rendah, kemampuan pengalamatan byte, skalabilitas ke node tingkat lanjut, dan kemampuan beradaptasi yang kuat terhadap berbagai kondisi lingkungan.

Selain itu, komputasi yang diilhami otak berdasarkan ReRAM juga dapat menerobos hambatan arsitektur komputasi von Neumann dalam jangka menengah hingga panjang, dan dianggap sebagai salah satu pilihan terbaik untuk mencapai integrasi penyimpanan dan komputasi.

Di area ini, persyaratan pemrosesan dan penyimpanan data yang cepat sangatlah penting.

Perlombaan untuk menciptakan teknologi ReRAM yang sangat terintegrasi, hemat energi, dan berorientasi pada kinerja membawa perkembangan menarik pada solusi memori masa depan untuk berbagai aplikasi. Misalnya, pada mobil tanpa pengemudi atau robot industri pintar, ReRAM, dengan konsumsi daya dan daya tahannya yang rendah, dapat menangani operasi data yang kompleks dengan konsumsi energi yang rendah serta memastikan persistensi dan keandalan data. Karakteristik ini memberikan prospek aplikasi ReRAM yang luas di pasar edge AI di masa depan.

ReRAM, kemajuan komersialisasi dipercepat

Faktanya, ReRAM bukanlah sebuah konsep baru. ReRAM mulai mendapat perhatian sejak tahun 1960an dan 1970an.

Dari perspektif industri, Panasonic, Renesas, Western Digital, Fujitsu, Samsung, Sony, Adesto, dan Crossbar adalah produsen utama di bidang ReRAM. Dalam hal pengecoran logam, SMIC, TSMC, UMC, GlobalFoundries, dll. sedang mengembangkan atau menyediakan proses ReRAM untuk pelanggan pengecoran.

Lintasan pengembangannya kira-kira sebagai berikut: pada tahun 2013, Panasonic dan Adesto meluncurkan produk ReRAM dengan proses masing-masing 180nm dan 130nm; pada tahun 2015, Fujitsu dan Panasonic bersama-sama meluncurkan chip ReRAM berkapasitas 4Mb pada tahun 2017, Crossbar dan SMIC meluncurkan chip berkapasitas 40nm 8Mb; . Dan berdasarkan hal ini, ia memasuki pasar ReRAM; pada tahun 2018, Adesto meluncurkan produk baru dengan proses 130nm; pada tahun 2019, Crossbar dan Microsemi meluncurkan eReRAM 28nm, dan Fujitsu meluncurkan chip ReRAM MB85AS8MT, yang selanjutnya memperluas pasar; , Intel Meluncurkan produk eReRAM menggunakan proses 22FFL sejak saat itu hingga tahun 2024, banyak perusahaan merilis beberapa produk ReRAM 40nm, terus memajukan teknologi ReRAM.

Pada bulan Juli tahun ini, produsen panel kepala dalam negeri Visionox menyelesaikan pengembangan dan sertifikasi chip driver layar AMOLED pertama di dunia yang menggunakan teknologi penyimpanan ReRAM tertanam.

Menurut laporan, ini adalah chip driver tampilan pertama yang menggunakan teknologi penyimpanan RRAM tertanam di AMOLED. Dibandingkan dengan chip driver tampilan tradisional yang menggunakan solusi SRAM + Flash eksternal bawaan untuk mencapai fungsi kompensasi Demura, chip driver baru ini secara langsung menghilangkan chip Flash eksternal tradisional, secara efektif memecahkan masalah biaya perangkat eksternal yang tinggi dan parameter kompensasi pembacaan yang ada pada chip tradisional. Ini mengatasi masalah seperti kecepatan lambat dan membawa keuntungan seperti biaya lebih rendah, area lebih kecil, dan efisiensi lebih tinggi.

Pada bulan Mei, firma analis TechInsights melaporkan bahwa chip memori peralihan resistif (eRRAM) tertanam 22ULL ​​terbaru TSMC telah membuat kemajuan penting dalam teknologi penyimpanan. Chip tersebut digunakan dalam chip sistem seri nRF54L baru dari Nordic Semiconductor, menjadi nirkabel berdaya rendah. solusi IoT, ini adalah produk eRRAM generasi kedua TSMC, yang menampilkan teknologi CMOS 22nm pertama di industri dan dikatakan sebanding dengan STT-MRAM tertanam.

Pada bulan Maret, Xinyuan Semiconductor yang diinvestasikan oleh ByteDance juga merupakan perusahaan yang berfokus pada penelitian dan pengembangan teknologi penyimpanan baru ReRAM dan chip terkait, yang mencakup kontrol industri berkinerja tinggi, chip SoC/ASIC otomotif, IP dan chip penyimpanan dan komputasi terintegrasi (CIM). , dan chip penyimpanan tingkat sistem (SoM) dan area aplikasi lainnya.

Dilaporkan bahwa Xinyuan Semiconductor telah menguasai teknologi loop tertutup terintegrasi, yang meliputi material perangkat, proses proses, desain chip, desain IP, dan produksi massal percontohan, serta telah membangun jalur produksi back-end percontohan ReRAM 12 inci proses lanjutan pertama di daratan. Tiongkok dan meluncurkan rangkaian produk penyimpanan aman ReRAM "Xin·Shanwen" telah mencapai produksi massal komersial di bidang kontrol otomasi industri.

Pada bulan Agustus 2023, tim Akademisi Liu Ming dari Institut Mikroelektronika Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok mengusulkan struktur komputasi dalam memori RRAM yang muncul dengan paralelisme tinggi dan rasio kinerja tinggi. Pada tingkat perangkat, tim mengusulkan struktur susunan penyimpanan dan perhitungan dengan memristor dua transistor tertimbang (WH-2T1R), yang mengurangi dampak efek parasit pada arus perhitungan dan mengurangi konsumsi daya dari operasi akumulasi ganda. Pada tingkat rangkaian, diusulkan rangkaian pembacaan penguat indra mode arus pengurang arus referensi, yang secara signifikan mengurangi konsumsi daya rangkaian pembacaan. Pada tingkat pemetaan algoritme, tim mengusulkan strategi pemetaan redundansi data bit tinggi (MSB_RSM) untuk meningkatkan akurasi penghitungan. Solusi ini telah diverifikasi pada proses 28nm tertanam yang dikembangkan secara independen oleh tim. Efisiensi energi rata-rata struktur komputasi dalam memori RRAM dalam tugas ResNet-18 mencapai 30,34TOPS/W, dan dapat ditingkatkan menjadi 154,04TOPS/W sebesar 154,04TOPS/W. mengoptimalkan waktu pembacaan. Hasil penelitiannya dipublikasikan dalam "IEEE Journal of Solid-State Circuits".

Pada bulan Agustus 2023, Houmo Intelligent mengumumkan penyelesaian pengujian dan pengembangan skenario aplikasi chip memori RRAM berkapasitas besar pertama yang tersedia secara komersial.

Ada juga Teknologi Yizhu, yang berfokus pada pengembangan penyimpanan digital sepenuhnya dan komputasi chip daya komputasi besar AI yang terintegrasi berdasarkan ReRAM. Pada tahun 2023, Teknologi Yi Zhu berhasil mengembangkan chip POC daya komputasi besar AI pertama yang berpresisi tinggi, berdaya rendah, dan terintegrasi dengan kalkulasi berdasarkan memristor RRAM (ReRAM). institusi partai dengan kinerja efisiensi energi yang sangat baik. Lebih dari 10 kali lebih banyak dibandingkan chip AI arsitektur tradisional.

Selain itu, Weebit Nano, perusahaan patungan Israel-Prancis yang didirikan pada tahun 2015, juga berfokus pada teknologi memori ReRAM selama bertahun-tahun.

Weebit Nano bermitra dengan pabrik pengecoran semikonduktor CMOS Skywater untuk menyediakan modul ReRAM kepada pelanggan Skywater dan menghasilkan chip demonstrasi yang berfungsi penuh.

Pada Flash Memory Summit pada Agustus 2023, Amir Regev, Wakil Presiden Kualitas dan Keandalan Weebit Nano, memperkenalkan tren perkembangan pasar ReRAM tertanam serta kemajuan dan pencapaian teknologi Weebit Nano di bidang ini. Dia mencatat bahwa pasar memori non-volatile (NVM) yang sedang berkembang diperkirakan akan mencapai US$2,7 miliar pada tahun 2028, dengan ReRAM diperkirakan akan menguasai 37% pasar, terutama dalam aplikasi tertanam, seiring dengan pertumbuhan pengiriman MCU. ReRAM akan menempati 60% dari pasar tersebut. volume wafernya.

Saat ini, Weebit menerapkan model operasi komersial dengan melisensikan IP kepada perusahaan dan pabrik semikonduktor. Teknologi ReRAM-nya telah diverifikasi silikon pada node proses 28-130nm dan berhasil menyelesaikan tapeout pada platform 22FDX GlobalFoundries, yang rencananya akan dimulai pada tahun 2024. produksi.

Modul ReRAM Weebit yang diproduksi di SkyWater telah menyelesaikan kualifikasi utama, menandai tonggak penting dalam kematangan teknologi ReRAM.

Weebit Nano mengatakan bahwa memori baru ReRAM menjadi arus utama.

Selain bidang yang berlaku di atas, komputasi neuromorfik adalah bidang aplikasi ReRAM yang potensial.

Beberapa perusahaan, seperti Facebook dan Google, telah mengembangkan sistem pembelajaran mesin yang menggunakan jaringan saraf. Jaringan saraf membantu sistem, banyak di antaranya menggunakan FPGA dan GPU dengan memori berbasis SRAM, memproses data, dan mengenali pola. Industri memori sedang mengembangkan ReRAM untuk area ini, yang jauh lebih padat daripada arsitektur GPU/SRAM.

Namun sistem neuromorfik memerlukan beberapa perangkat ReRAM bertumpuk. Sebelum ReRAM bisa masuk ke pasaran, industri memori harus terlebih dahulu menguasai ReRAM dalam skala kecil.

Seiring dengan melambatnya Hukum Moore, menemukan teknologi penyimpanan efisien yang dapat memenuhi kebutuhan komputasi generasi mendatang menjadi semakin penting. Dalam konteks ini, ReRAM telah menunjukkan potensi besar.

Meskipun teknologi ReRAM menjanjikan sebagai solusi memori generasi mendatang, teknologi ini masih menghadapi tantangan tertentu yang menghambat penerapannya secara luas. Yang pertama adalah masalah "jalur diam-diam", yang menyebabkan kebocoran arus dan dapat menyebabkan kesalahan pembacaan memori; kedua, ada kekhawatiran tentang pembentukan dan stabilitas kekosongan oksigen, yang sangat penting untuk mekanisme peralihan resistif yang diandalkan oleh ReRAM. ; Selain itu, menciptakan medan listrik yang seragam di dalam sel memori untuk peralihan yang andal juga merupakan kendala desain. Sekali lagi, meskipun ReRAM menawarkan efisiensi energi dibandingkan memori tradisional seperti memori flash, meningkatkan atribut ini untuk memenuhi kebutuhan aplikasi berdaya sangat rendah merupakan kendala teknis.

Dalam jangka pendek, ReRAM tidak akan menggantikan NAND atau memori mainstream lainnya, namun akan menemukan tempatnya, terutama pada sistem tertanam dan area lain yang memerlukan kinerja tinggi, konsumsi daya rendah, miniaturisasi, dan solusi penyimpanan kepadatan tinggi.

MRAM menonjol

Selain FeRAM dan ReRAM, teknologi memori baru lainnya seperti MRAM dan PCM juga telah banyak dibahas. Masing-masing teknologi ini mempunyai keunggulan dan skenario penerapannya masing-masing, namun juga menghadapi tantangannya sendiri.

Dalam lanskap teknologi yang terus berkembang, inovasi tertentu menonjol karena potensinya dalam membentuk kembali industri dan mendefinisikan kembali standar kinerja. Memori akses acak magnetoresistif (MRAM) merupakan terobosan besar.

MRAM, RAM Magnetik, juga dikenal sebagai memori magnetik, adalah teknologi yang didasarkan pada efek resistensi magnet penerowongan.

MRAM menggunakan sambungan terowongan magnetik (MTJ) sebagai unit memori dasar. Setiap MTJ terdiri dari dua lapisan bahan magnetik yang diapit oleh lapisan isolasi tipis. Bergantung pada apakah arah magnetisasi kedua lapisan bahan magnetik tersebut konsisten, MTJ menunjukkan nilai resistansi yang berbeda untuk menyimpan informasi. MRAM menggabungkan kinerja baca dan tulis berkecepatan tinggi DRAM dengan karakteristik SRAM yang non-volatil. Ia juga memiliki keunggulan konsumsi daya yang rendah, daya tahan tinggi, rentang suhu pengoperasian yang luas, dan siklus hapus dan tulis yang hampir tidak terbatas.

Diagram skema MRAM

Fitur teknis MRAM:

Tidak mudah menguap:Daya tarik feromagnet tidak akan hilang karena pemadaman listrik, dan MRAM bersifat non-volatil;

Waktu membaca dan menulis tidak terbatas:Daya tarik feromagnet tidak hanya tidak hilang ketika listrik dimatikan, tetapi hampir dianggap tidak pernah hilang, sehingga MRAM dan DRAM dapat ditulis ulang tanpa batas waktu;

Kecepatan menulis cepat dan konsumsi daya rendah:Waktu penulisan MRAM bisa serendah 2,3ns, dan konsumsi dayanya sangat rendah, yang dapat menghidupkan dan mematikan daya secara instan dan memperpanjang masa pakai baterai komputer portabel;

Integrasi tinggi dengan chip logika:Unit MRAM dapat dengan mudah ditanamkan ke dalam chip sirkuit logika, dan hanya satu atau dua langkah yang memerlukan masker fotolitografi yang ditambahkan ke proses metalisasi back-end. Selain itu, sel MRAM dapat dibuat sepenuhnya di lapisan logam chip, dan bahkan 2-3 lapisan sel dapat ditumpuk, sehingga berpotensi membangun susunan memori skala besar pada sirkuit logika.

Penelitian MRAM berfokus pada peningkatan kepadatan penyimpanan, pengurangan energi tulis, peningkatan kecepatan baca dan tulis, serta peningkatan kompatibilitas dan efisiensi biaya proses manufaktur. STT-MRAM telah menjadi pusat penelitian karena arus tulisnya yang lebih rendah dan skalabilitas yang lebih baik, sedangkan SOT-MRAM telah menarik perhatian karena potensinya untuk mencapai konsumsi daya yang lebih rendah dan kecepatan peralihan yang lebih cepat.

MRAM adalah memori non-volatil yang lebih cepat, lebih tahan lama, dan mengonsumsi lebih sedikit daya dibandingkan teknologi tradisional, dan mendapatkan perhatian dan aplikasi yang signifikan di berbagai industri termasuk otomotif, industri, perangkat yang dapat dikenakan, dirgantara, dan pertahanan.

Biasanya, permohonan paten merupakan tanda yang jelas bahwa suatu teknologi mendapat banyak perhatian—semakin relevan suatu teknologi terhadap permohonan komersial, semakin besar jumlah permohonan paten.

Menurut statistik LexisNexis, jumlah permohonan paten di pasar MRAM tetap stabil dari tahun 2004 hingga 2013, dengan sekitar 300 hingga 400 permohonan paten setiap tahunnya. Puncaknya terjadi pada tahun 2011. Penyelidikan lebih lanjut mengungkapkan bahwa Toshiba meningkatkan permohonan patennya di bidang teknologi ini pada tahun 2011, yang menyebabkan lonjakan ini.

Tren pengajuan paten dan publikasi IEEE di bidang MRAM selama 20 tahun terakhir

Perlu dicatat bahwa penurunan di akhir grafik tidak menunjukkan penurunan minat, melainkan jeda antara pengajuan paten dan publikasi.

Dapat dipahami bahwa dengan mempertimbangkan ukuran portofolio paten, LexisNexis membagi 10 perusahaan teratas menjadi tiga kategori:

Pemilik portofolio paten yang kuat: Samsung, Kioxia dan TSMC;

Pengikut: TDK dan IBM;

perusahaan lain.

Kualitas 10 perusahaan teratas di bidang MRAM berdasarkan kekuatan portofolio paten

MRAM, potensi komersial disorot

Melihat kembali sejarah perkembangan MRAM, pada awal tahun 2002, TSMC menandatangani rencana pengembangan kerjasama MRAM dengan Taiwan Industrial Research Institute.

MRAM pertama yang dikomersialkan adalah Toggle-MRAM berkapasitas 4Mb yang diproduksi oleh Freescale Semiconductor pada tahun 2006; Honeywell dan Cobham serta perusahaan lain juga meluncurkan produk terkait; Toshiba mengumumkan pada tahun 2014 bahwa mereka akan mengganti SRAM dengan STT-MRAM, sehingga membuat konsumsi daya cache menjadi mikroprosesor. perangkat tersebut berkurang hampir 60%; pada tahun 2017, Universitas Aeronautika dan Astronautika Beijing dan Institut Mikroelektronika Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok bersama-sama berhasil menyiapkan perangkat STT-MRAM 80 nanometer pertama di negara tersebut.

Pada bulan Juni 2023, Kelompok Penelitian Bahan dan Perangkat Spin Quantum dari Laboratorium Bahan Danau Songshan Shenzhen berkolaborasi dengan Universitas California, Los Angeles, Universitas Sains dan Teknologi King Abdullah, Universitas Sains dan Teknologi Elektronik Tiongkok, dan Institut Sains dan Teknologi Elektronik Tiongkok. Fisika, Akademi Ilmu Pengetahuan China, untuk mewujudkan perangkat memori SOT-MRAM berbasis isolator topologi dan lebih canggih yang menggabungkan kepadatan penyimpanan tinggi dengan persimpangan terowongan anisotropi magnetik tegak lurus (pMTJ). TSMC telah mengembangkan lini produk MRAM terkait seperti proses 16/12nm.

Juga pada tahun 2023, NXP berkolaborasi dengan TSMC untuk bersama-sama mengembangkan MRAM tertanam FinFET 16-nanometer otomotif pertama di industri untuk mendukung arsitektur otomotif generasi berikutnya. Kolaborasi ini menyoroti semakin pentingnya MRAM di sektor otomotif, dengan tujuan meningkatkan kinerja dan keandalan aplikasi otomotif tingkat lanjut.

Pada tanggal 18 Januari tahun ini, TSMC dan Institut Penelitian Industri mengumumkan keberhasilan pengembangan chip array SOT-MRAM, menandai terobosan besar dalam bidang teknologi memori MRAM generasi berikutnya. Produk inovatif ini tidak hanya menggunakan arsitektur komputasi canggih, namun konsumsi dayanya hanya 1% dari teknologi serupa STT-MRAM.

Selain itu, TSMC secara aktif mengeksplorasi SOT-MRAM dan VC-MRAM serta berkolaborasi dengan laboratorium penelitian eksternal, konsorsium, dan mitra akademik.

10 perusahaan teratas dengan kematangan inovasi di bidang MRAM

Hampir bersamaan dengan TSMC, Samsung mengumumkan rencana pengembangan MRAM pada tahun 2002. Pada tahun 2005, Samsung memimpin penelitian dan pengembangan STT-MRAM. Teknologi ini kemudian terbukti mampu memenuhi persyaratan kinerja cache tingkat terakhir di bidang komputasi kinerja tinggi, dan dianggap sebagai alat yang ampuh untuk melakukan hal tersebut. menerobos ceruk pasar.

Pada awal tahun 2022, Samsung Electronics menerbitkan penelitian komputasi dalam memori berbasis MRAM pertama di dunia di jurnal akademis terkemuka Nature. Pada SFF 2023 di Eropa, Samsung mengumumkan visinya untuk merevolusi teknologi otomotif generasi mendatang dan berencana mengembangkan eMRAM 5nm pertama Samsung. Selain meluncurkan eMRAM 14nm pada tahun 2024, perusahaan juga berencana untuk memperluas portofolio produk eMRAM dengan 8nm pada tahun 2026 dan 5nm pada tahun 2027. Dibandingkan dengan proses 14nm, eMRAM 8nm diharapkan dapat meningkatkan kepadatan sebesar 30% dan kecepatan sebesar 33%.

Di antara semua teknologi memori yang muncul, MRAM adalah salah satu teknologi dengan potensi komersial yang lebih besar.

Meskipun memori MRAM memiliki keunggulan dalam hal daya tahan dan produksi massal, MRAM bukannya tanpa kekurangan. Ia juga menghadapi banyak tantangan, seperti sistem material yang kompleks pada perangkat sebenarnya, rasio peralihan yang rendah, dan proses CMOS yang harus sepenuhnya disesuaikan. Selain itu, pengembangan MRAM masih menemui hambatan dalam konsumsi daya dinamis, efisiensi penundaan energi, dan keandalan.

Secara umum, MRAM masih jauh dari teknologi matang, dan keunggulan biayanya belum menonjol. Selain itu, teknologi penyimpanan baru lainnya juga sedang berkembang. Hanya dapat dikatakan bahwa MRAM adalah yang lebih menjanjikan saat ini DRAM atau NAND, perjalanan MRAM masih panjang.

PCM, membuka paradigma komputasi baru

PCM, RAM perubahan fase, juga dikenal sebagai memori perubahan fase atau PCRAM.

Prinsip PCM adalah mengubah bahan perubahan fasa antara keadaan kristal (konduktif) resistansi rendah dan keadaan amorf (non-konduktif) resistansi tinggi dengan mengubah suhu, dan menggunakan perbedaan konduktivitas antara kedua keadaan untuk membedakan " 0 dan 1". Ini memungkinkan penyimpanan data.

Diagram skema PCM

PCM memiliki non-volatilitas NAND dan kecepatan baca dan tulis yang tinggi serta umur DRAM yang panjang. Ia juga memiliki keunggulan latensi rendah, kepadatan tinggi, konsumsi daya rendah, dan kompatibilitas dengan teknologi CMOS memori dan memori utama. Kemungkinan two-in-one diharapkan dapat diterapkan di pusat data berkinerja tinggi, server, Internet of Things dan skenario lainnya di masa depan.

Fitur teknis PCM:

Latensi rendah, waktu baca dan tulis seimbang:PCM tidak perlu menghapus kode atau data sebelumnya sebelum menulis kode pembaruan, sehingga kecepatan baca dan tulis PCM lebih baik dibandingkan NAND Flash, dan waktu baca dan tulis lebih seimbang;

Umur panjang:Pembacaan dan penulisan PCM bersifat non-destruktif, sehingga daya tahan penulisannya jauh melebihi memori flash. Penggunaan PCM untuk menggantikan hard drive mekanis tradisional memiliki keandalan yang lebih tinggi;

Konsumsi daya rendah:PCM tidak memiliki perangkat berputar mekanis dan tidak memerlukan arus penyegaran untuk menyimpan kode atau data. Oleh karena itu, konsumsi daya PCM lebih rendah dibandingkan HDD, NAND, dan DRAM;

Kepadatan tinggi:Beberapa PCM mengadopsi desain non-transistor untuk mencapai penyimpanan dengan kepadatan tinggi;

Ketahanan radiasi yang baik:Teknologi penyimpanan PCM tidak ada kaitannya dengan keadaan partikel bermuatan pada material, sehingga memiliki ketahanan yang kuat terhadap radiasi luar angkasa serta dapat memenuhi kebutuhan pertahanan negara dan dirgantara.

Saat ini, tidak ada batasan fisik yang jelas untuk PCM. Penelitian menunjukkan bahwa meskipun material perubahan fasa dikurangi hingga ketebalan 2nm, perangkat memori masih dapat mengalami perubahan fasa. Oleh karena itu, PCM dapat memecahkan masalah keterbatasan fisik teknologi memori dan menjadi salah satu perangkat memori semikonduktor generasi baru yang bersifat universal di masa depan.

Pada tahun 2006, Intel berkolaborasi dengan Samsung untuk memproduksi chip PCM komersial pertama. Pada tahun 2015, Intel dan Micron bersama-sama mengembangkan chip memori PCM revolusioner-3D Xpoint. Micron menamai teknologinya Optane, dan Micron menamainya QuantX.

Teknologi 3D Xpoint telah mencapai terobosan revolusioner di bidang memori non-volatil. Meskipun kecepatannya sedikit lebih lambat dibandingkan DRAM, kapasitasnya lebih tinggi dari DRAM dan 1.000 kali lebih cepat dibandingkan memori flash.

Namun kekurangannya juga terlihat jelas. Karena semakin banyak lapisan yang ditumpuk, semakin banyak masker yang dibutuhkan, dan di seluruh industri manufaktur IC, masker merupakan biaya terbesar. Oleh karena itu, dari sudut pandang manufaktur, sangat sulit untuk mencapai struktur tumpukan 3D dengan lusinan lapisan.

Dengan ditutupnya bisnis memori Intel Optane, teknologi memori 3D XPoint juga berakhir.

Namun industri masih mengembangkan teknologi PCM. Pada awal tahun 2022, Institut Bahan dan Perangkat Penyimpanan Informasi (ISMD) dari Sekolah Sirkuit Terpadu di Universitas Sains dan Teknologi Huazhong dan Pusat Inovasi dan Desain Material (CAID) dari Universitas Xi'an Jiaotong mengembangkan memori perubahan fase dengan struktur mesh amorf, dengan konsumsi daya 0,05 Di bawah pJ, konsumsi daya seribu kali lebih rendah dibandingkan produk mainstream.

Pada bulan April tahun ini, Akademi Sains dan Teknologi Korea mengumumkan bahwa tim peneliti yang dipimpin oleh Profesor Shinhyun Choi dari Fakultas Teknik Elektro telah mengembangkan perangkat memori perubahan fase generasi berikutnya. Hasil yang relevan telah dipublikasikan di jurnal terkemuka Nature Judul makalahnya adalah: "Memori perubahan fase melalui filamen nano terbatas yang dapat diubah fase".

Makalah ini memperkenalkan perangkat PCM baru yang menggunakan kawat nano SiTex yang dapat diubah fase untuk secara efektif mengurangi arus reset PCM. Desain inovatif ini dapat mengurangi arus reset secara signifikan tanpa mengorbankan biaya produksi. Secara khusus, PCM nanofilamen yang dikembangkan menunjukkan arus reset yang sangat rendah sekitar 10 μA, yang merupakan satu hingga dua kali lipat lebih rendah daripada PCM konvensional yang sangat skalabel.

Terobosan dalam teknologi PCM ini menandai langkah penting bagi industri dalam membuka paradigma komputasi baru, khususnya aplikasi yang dapat memanfaatkan karakteristik unik PCM.

Meskipun PCM memiliki banyak kelebihan, terdapat juga beberapa kekurangan yang jelas saat ini PCM memiliki banyak hambatan aplikasi, sehingga komersialisasinya stagnan. Pertama, karena proses penyimpanan PCM bergantung pada pengaturan suhu dan sangat sensitif terhadap suhu, maka proses penyimpanan PCM tidak dapat diterapkan pada skenario suhu yang luas. Kedua, memori PCM mengadopsi struktur multi-layer agar kompatibel dengan proses CMOS, sehingga kepadatan penyimpanan terlalu rendah untuk memenuhi kebutuhan kapasitas pengganti NAND Flash. Selain itu, biaya dan hasil juga menjadi salah satu hambatan dalam industrialisasi skala besar.

tulis di akhir

Selama bertahun-tahun, industri memori telah mencari teknologi penyimpanan baru.Baik itu FeRAM, ReRAM, MRAM, atau PCM, semuanya bertujuan untuk memecahkan masalah "dinding kinerja" dan "dinding penyimpanan" pada penyimpanan tradisional sampai batas tertentu, mematahkan arsitektur von Neumann, dan menghilangkan penundaan dan penundaan yang disebabkan oleh data. akses. konsumsi daya untuk mencapai daya komputasi dan rasio efisiensi energi yang lebih tinggi, namun karakteristik teknis spesifik dan tingkat komersialisasi dari empat sistem penyimpanan yang muncul berbeda.

Perbandingan antara teknologi penyimpanan arus utama dan teknologi penyimpanan baru

Berdasarkan analisis berbagai jenis karakteristik teknis dan status pasar, teknologi yang muncul saat ini tidak memiliki kemampuan untuk menggantikan memori flash DRAM/NAND. Namun, di era pertumbuhan data yang eksplosif, penyimpanan yang muncul memiliki kinerja yang kuat, umur yang panjang, dan umur panjang. Karakteristik unggulan seperti keandalan dan ketahanan terhadap suhu tinggi diharapkan dapat mengisi celah di pasar memori dan menjadi pilihan baru di bidang memori.

Seperti disebutkan di awal artikel, kelemahan inovasi teknologi berkelanjutan dalam jalur tradisional saat ini telah terungkap. Pasar sangat membutuhkan produk memori yang dapat memenuhi kebutuhan skenario baru, dan penyimpanan yang sedang berkembang memiliki peluang .

Namun, kita perlu waspada bahwa dalam proses pengembangan penyimpanan yang sedang berkembang, industri memori terus memperluas memori flash DRAM dan NAND, sehingga menyulitkan jenis memori baru untuk menempati tempat di pasar.

Melihat ke masa depan, beberapa pakar industri mengatakan bahwa tidak ada satu jenis memori pun yang mahakuasa dan dapat menangani semua aplikasi. Setiap teknologi memiliki sifat yang berbeda dan mampu menjalankan fungsi yang berbeda dengan baik. Diharapkan teknologi penyimpanan canggih ini akan menjadi yang pertama digunakan dalam aplikasi yang dapat mencerminkan dan memanfaatkan keunggulan uniknya.