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1970 年代以降、DRAM は商用市場に参入し、その極めて高い読み書き速度によりストレージ分野で最大の市場となりました。フィーチャーフォンの登場後、PC 時代には NOR フラッシュ市場が爆発的に成長しました。ストレージ容量の需要は拡大しており、低コストで大容量の NAND フラッシュが最良の選択肢となっています。

AI の波の高まりに伴い、HBM がその先頭に立っている今日。

ストレージ技術は過去 50 年間にわたって発展し、変化し、現在では DRAM、フラッシュ、SRAM という主要な分野が徐々に形成されています。

しかし、半導体製造技術がより小型のテクノロジーノードに向かって進み続けるにつれて、新たなアプリケーションシナリオでは、速度、消費電力、容量、信頼性などの点でデータストレージに対するより高い要件が提示されており、従来の技術革新を続けることの欠点も指摘されています。それ以来、DRAM、NAND フラッシュなどがますます深刻な課題に直面し始めており、これらのストレージ テクノロジと論理コンピューティング ユニット間の開発速度の不一致により、コンピューティング パフォーマンスのさらなる向上が大幅に制限されています。そしてエネルギー効率。

したがって、業界は新興ストレージ テクノロジーに大きな期待を寄せ始めており、ますます多くの新興テクノロジーが急速に登場しています。

現在、業界は主に、強誘電体メモリ (FeRAM/FRAM)、抵抗膜メモリ (ReRAM/RRAM)、磁気メモリ (MRAM)、相変化メモリ (PCM) の 4 種類の新興メモリに焦点を当てています。これらの新たなメモリ技術は、SRAM のスイッチング速度と DRAM の高密度特性を、フラッシュの不揮発性特性と統合することを目的としています。

古い技術と新しい技術の対立に直面して、DRAM と NAND が現在の業界を支配する傾向は続くでしょうか?それとも、FeRAM、ReRAM、MRAM、PCM などの新興メモリ テクノロジがこれに取って代わるのでしょうか?今後のストレージ市場の動向と運命はどうなるでしょうか?

強誘電体メモリ FeRAM に問題がありますか?

3D XPoint メモリ テクノロジの発売から 7 年後の 2022 年 7 月 28 日、Intel は Optane メモリ ビジネスを終了すると発表しました。ストレージ業界にとって、このニュースは驚くべきことではないかもしれません。 Intel の不揮発性メモリの最初の商用製品である Optane のビジネスの進歩は順調ではなく、その生産量がチップ価格が妥当なレベルに達することは決してありません。

したがって、アオテンは失敗の結末から逃れることはできません。

FeRAM も新しいメモリ候補テクノロジーです。メモリ業界は長年にわたり、従来のメモリの技術的限界やギャップを埋めることを目的として、FeRAM やその他の次世代メモリ技術を開発してきました。

FeRAM、正式名称はFerroelectric RAM（強誘電体ランダムアクセスメモリ）で、強誘電体メモリとも呼ばれます。 FeRAMは強誘電体結晶材料を記憶媒体として使用し、強誘電体結晶材料の電圧と電流の関係における特有のヒステリシスループの特性を利用して情報記憶を実現します。

FeRAMの構造図

FeRAM 製品は、ROM の不揮発性データ ストレージ特性と、RAM の無制限の読み書き、高速読み書き、低消費電力という利点を組み合わせています。

FeRAM には次の技術的特徴があります。

不揮発性:FeRAM の最も注目すべき特徴は、停電後もデータが失われないこと、そして不揮発性メモリであることです。

高速読み書き：FeRAM は読み取りおよび書き込み速度が比較的速く、アクセス時間は通常約 50ns、サイクル時間は約 75ns であるため、高速データ アクセスが必要な状況では有利です。

長寿命:FeRAM は読み取りおよび書き込み耐久性が高く、通常は数十億回の読み取りおよび書き込みサイクルに達することができ、従来の EEPROM やフラッシュ メモリをはるかに上回ります。

低消費電力:FeRAM はデータを保存するときにデータ状態を維持するために追加の電力を必要としないため、消費電力は比較的低くなります。

高い信頼性:CMOSプロセスに対応し、動作温度範囲が広く、信頼性が高い。

FeRAM は記憶密度が低く、容量が限られていますが、DRAM や NAND フラッシュを完全に置き換えることはできませんが、大容量、高い読み書き速度と頻度、および長い耐用年数を必要としないシナリオでの発展の可能性を秘めています。時計、ICカードやIoTデバイスなどの家電分野、自動車や産業用ロボットなど。

開発の歴史を振り返ると、科学者たちは 1920 年に強誘電体材料の概念を提案し、1952 年にマサチューセッツ工科大学の修士課程の学生が 1991 年に初めて強誘電体コンデンサをデータ記憶素子として使用するという概念を論文で提案しました。米国の Ramtron 社 (Cypress が買収) は 2T/2C 構造の低レベル FeRAM 製品の生産を開始し、1996 年に Ramtron が世界初の量産 4Kb FeRAM 製品を開発し、12 月に発売しました。同年上場。

それ以来、FeRAM の開発と応用は新たな章を開きました。

FeRAM、進捗が遅いですか？

現在、FeRAM市場の主要企業には、インフィニオン（サイプレスを買収）、富士通、テキサス・インスツルメンツ、IBM、マイクロンなどが含まれます。これらの企業は、スマート・メーター、自動車システム、ウェアラブル・デバイス、強誘電体メモリ製品などのアプリケーションに複数のソリューションを提供しています。 。

富士通は車載および産業用アプリケーション向けの高速強誘電体メモリ製品を提供しており、20 年以上産業市場に提供しています。テキサス・インスツルメンツは IoT デバイスおよびウェアラブル向けの FeRAM ベースのマイクロコントローラを提供しています。インフィニオンは、自動車および産業用制御システム向けの強誘電体メモリ ソリューションの提供に注力しています。

2023年12月、マイクロンはIEEE IEDMカンファレンスで32Gb 3D NVDRAMの研究開発結果を発表したが、これは富士通やSK Hynixの以前の8Mb製品、インフィニオンの16Mbや東芝の128Mb製品よりもはるかに大きい。

NVDRAMメモリは強誘電性の原理に基づいており、NANDフラッシュメモリと同様の不揮発性を持ちながら、DRAMに近い高耐久性と低遅延を実現できると報告されています。この新興メモリは 2 層 3D スタッキングを使用しており、32Gb の容量密度は強誘電体メモリの新記録を樹立します。マイクロンは、LPDDR5 仕様に基づいて NVDRAM サンプルをテストし、AI 負荷に適していると考えていますが、量産時期は不明です。

2021 年 3 月の時点で、マイクロンは Optane 3D XPoint 市場から撤退する際に次のように述べていました。「マイクロンは、3D XPoint プログラムの画期的な進歩から得た知識、および関連するエンジニアリングの専門知識とリソースを、メモリ中心のアプリケーションに適用する予定です。メモリストレージ層をターゲットとした新興製品では、FeRAM がターゲットになっていた可能性があります。」

さらに、Jita Semiconductorは、国内の新興強誘電体メモリサプライヤーである無錫順明ストレージテクノロジープライオリティカンパニーとも提携し、国内初の110nm新興強誘電体メモリ製品を2023年12月に発売する予定である。既存の技術と比較して、新製品の面積は小さい。性能は40～60％と大幅に向上しており、2024年第1四半期に正式に量産される予定だ。

Jita Semiconductor の新たな強誘電体メモリプロセス技術

FeRAM は多くの機能を備えており、将来のメモリ開発の方向性の 1 つになることが期待されています。

しかし、その開発にはいくつかの課題もあります。まず、FeRAM の歩留まりはアレイ サイズの制限の影響を受けるため、さらに改善する必要があります。第 2 に、FeRAM は一定の読み取りサイクル数に達すると耐久性が低下する可能性があるため、使用する必要があります。材料科学の進歩と製造プロセスの進歩に加えて、FeRAM の製造コストは比較的高く、生産規模の拡大と技術の進歩に応じて削減する必要があります。

業界の一部の人は、FeRAM と Optane が同じジレンマに陥っていると考えています。大量生産を達成して各チップのコストを手頃なレベルに下げる実現可能な方法はなく、進歩は現在遅いです。

マイクロンは、市場が十分に魅力的であれば、NVDRAM製品を製造して販売することもできるが、それはその技術による資本収益率がNANDやDRAMへの投資よりも高いと判断した場合に限ると述べている。

これはニッチな組み込みメモリ市場にとって非常に大きな要求です。

Micron、SK Hynix、Samsungなどの大手ストレージメーカーがFeRAMメモリを大規模に採用しない場合、スタートアップ企業がファウンドリと協力して自社の製品技術を開発し、実証するのにはまだ長い道のりがかかるだろう。このような状況が発生するまでは、FeRAM は技術機関の研究室にのみ残される可能性があり、大規模に商業化することはできません。

ReRAM 新興メモリが主流になりつつある

FeRAM と比較して、ReRAM デバイスは積極的かつ継続的に開発され、商品化に成功しています。自動車、IoT、その他のアプリケーションは、ReRAM の成長を促進する要因の 1 つです。

ReRAM、正式名はResistive Random Access Memory（抵抗性ランダムアクセスメモリ）で、抵抗スイッチングメモリまたはRRAMと呼ばれます。

ReRAM は、外部電場の作用下で高抵抗状態と低抵抗状態の間で可逆的に変換できる、非導電性材料の抵抗に基づく不揮発性メモリです。最も単純なストレージ技術として、ReRAM 構造は、絶縁誘電体層 (抵抗スイッチング層) が 2 つの金属層の間に挟まれているように見え、上部電極と下部電極および抵抗スイッチング層で構成される金属 - 誘電体層 - 金属を形成します。 .（MIM）3層構造。

導電性フィラメントは、抵抗層内に不揮発性の低抵抗状態または高抵抗状態のオンまたはオフの2つの状態を提示し、それによって「0」と「1」の状態の区別と記憶を実現します。

ReRAM には多くの異なる技術カテゴリが含まれており、現在主流の技術ルートには主に、酸素空孔メモリ OxRAM、導電性ブリッジ メモリ CBRAM、金属イオン メモリ MeRAM、カーボン ナノチューブ CaRAM が含まれます。これは、通常、金属イオンや酸素空孔などの導電性要素をブリッジに移動することによって行われます。既存のブリッジからそれらを削除して、1 または 0 を表します。

ReRAM テクノロジーの特徴:

高速：ReRAM の消去および書き込み速度は、抵抗変化を引き起こすパルス幅によって決まります。通常、このパルス幅は 100ns 未満です。

強力な耐久性:ReRAM の読み書きは、可逆的で損傷のないモードを採用しているという点で NAND とは異なり、耐用年数を大幅に延長できます。

マルチビットストレージ機能:一部の ReRAM 材料は複数の抵抗状態を持ち、単一のメモリ セルに複数ビットのデータを保存できるため、記憶密度が向上します。

ReRAM は、DRAM の読み取りおよび書き込み速度と NAND の不揮発性を組み合わせたもので、密度、エネルギー効率、コスト、プロセス、歩留まりの観点から総合的に測定すると、ReRAM メモリには既存の新興メモリに比べて明らかな利点があります。

複数の利点を持つ ReRAM は現在、130nm から 22nm 以下の組み込み不揮発性メモリ (NVM) としてますます多くのプロセスに統合されており、スマート カー、エッジ AI、MCU、PMIC などのアプリケーションで使用されています。低消費電力、低コスト、バイトアドレス指定可能性、高度なノードへの拡張性、さまざまな環境条件への高い適応性という特徴があります。

さらに、ReRAM に基づくブレインインスピレーションのコンピューティングは、中長期的にノイマン型コンピューティング アーキテクチャのボトルネックを突破することもでき、ストレージとコンピューティングの統合を実現するための最良の選択肢の 1 つであると考えられています。

これらの分野では、迅速なデータ処理とストレージの要件が非常に重要です。

高度に統合され、エネルギー効率が高く、パフォーマンス指向の ReRAM テクノロジーを開発する競争は、さまざまなアプリケーション向けの将来のメモリ ソリューションにエキサイティングな開発をもたらします。たとえば、自動運転車やスマート産業用ロボットでは、低消費電力と耐久性を備えた ReRAM が、低エネルギー消費で複雑なデータ操作を処理し、データの永続性と信頼性を確保できます。これらの特性により、ReRAM は将来のエッジ AI 市場での幅広い応用の可能性が得られます。

ReRAM、商用化の進展が加速

実際、ReRAM は新しい概念ではなく、1960 年代から 1970 年代には注目され始めました。

業界の観点から見ると、Panasonic、Renesas、Western Digital、富士通、Samsung、Sony、Adesto、Crossbar が ReRAM 分野の主要メーカーです。ファウンドリに関しては、SMIC、TSMC、UMC、GlobalFoundriesなどがファウンドリ顧客向けにReRAMプロセスを開発または提供しています。

その開発の軌跡はおおよそ次のとおりです。2013年にパナソニックとアデストがそれぞれ180nmと130nmプロセスのReRAM製品を発売し、2017年に富士通とパナソニックが共同で4Mb容量のReRAMチップを発売しました。そしてこれに基づいて、2018年にAdestoが130nmプロセスの新製品を発売し、CrossbarとMicrosemiが28nmのeReRAMを発売し、2020年頃にはさらに市場を拡大しました。 , Intelは22FFLプロセスを使用したeReRAM製品を発売し、それから2024年まで多くの企業が複数の40nm ReRAM製品をリリースし、ReRAMテクノロジーを進歩させ続けました。

今年7月、国内ヘッドパネルメーカーVisionoxは、ReRAMストレージ技術を組み込んだ世界初のAMOLEDディスプレイドライバーチップの開発と認証を完了した。

レポートによると、これはAMOLEDに組み込まれたRRAMストレージ技術を使用した最初のディスプレイドライバーチップです。内蔵 SRAM + 外部フラッシュ ソリューションを使用してデムラ補償機能を実現する既存の従来のディスプレイ ドライバー チップと比較して、この新しいドライバー チップは従来の外部フラッシュ チップを直接削除し、高い外部デバイスのコストと補償パラメーターの問題を効果的に解決します。従来のチップに存在していた読み取り速度の問題を克服し、低コスト、より小さい面積、より高い効率などの利点をもたらします。

アナリスト会社TechInsightsは5月、TSMCの最新の22ULL​​組み込み抵抗スイッチングメモリ（eRRAM）チップがストレージ技術で重要な進歩を遂げ、このチップはNordic Semiconductorの新しいnRF54Lシリーズシステムチップに使用され、低電力無線の一部になると報告した。これは TSMC の第 2 世代 eRRAM 製品であり、業界初の 22nm CMOS テクノロジーを搭載しており、組み込み STT-MRAM に匹敵すると言われています。

3月にByteDanceが投資したXinyuan Semiconductorも、ReRAMの新興ストレージ技術と関連チップの研究開発に注力する企業で、高性能産業用制御、車載用SoC/ASICチップ、ストレージ＆コンピューティング統合（CIM）IPとチップをカバーしている。 、およびシステムのレベルストレージ (SoM) チップおよびその他のアプリケーション分野。

Xinyuan Semiconductorは、デバイス材料、プロセスプロセス、チップ設計、IP設計、パイロット量産をカバーする統合閉ループ技術を習得し、本土初の先進プロセスReRAM 12インチパイロットバックエンド生産ラインを構築したと報告されている。中国で発売されたReRAMセキュアストレージ製品「Xin・Shanwen」シリーズは、産業オートメーション制御分野で商用量産を達成しました。

2023 年 8 月、中国科学院マイクロエレクトロニクス研究所の学者 Liu Ming のチームは、高い並列性と高いパフォーマンス比を備えた新しい RRAM インメモリ コンピューティング構造を提案しました。デバイスレベルでは、チームは加重2トランジスタメモリスタ(WH-2T1R)を備えた記憶および計算アレイ構造を提案しました。これにより、計算電流に対する寄生効果の影響が軽減され、積和演算の消費電力が削減されます。回路レベルでは、読み出し回路の消費電力を大幅に削減する、基準電流を削減する電流モードセンスアンプ読み出し回路が提案されています。アルゴリズム マッピング レベルでは、チームは計算精度を向上させるために高ビット データ冗長性 (MSB_RSM) マッピング戦略を提案しました。これらのソリューションは、チームが独自に開発した組み込み 28nm プロセスで検証されており、ResNet-18 タスクの RRAM インメモリ コンピューティング構造の平均エネルギー効率は 30.34TOPS/W に達し、次の方法で 154.04TOPS/W まで高めることができます。読み出しタイミングの最適化。研究成果は「IEEE Journal of Solid-State Circuits」に掲載された。

2023年8月、Houmo Intelligentは、初の市販RRAM大容量メモリチップのテストとアプリケーションシナリオ開発の完了を発表した。

また、ReRAM に基づく完全デジタル ストレージとコンピューティング統合 AI 大型コンピューティング パワー チップの開発に焦点を当てた Yizhu Technology もあります。 2023 年に、Yi Zhu Technology は、メモリスタ RRAM (ReRAM) に基づいた初の高精度、低消費電力ストレージおよび計算統合型 AI 大型計算能力 POC チップの開発に成功しました。これは従来の製造プロセスに基づいており、第 3 の機関によって検証されています。従来のアーキテクチャ AI チップの 10 倍以上の優れたエネルギー効率性能を備えています。

さらに、2015年に設立されたイスラエルとフランスの合弁会社Weebit Nanoも、長年にわたりReRAMメモリ技術に注力してきました。

Weebit Nano は、CMOS 半導体ファウンドリ Skywater と提携して、Skywater の顧客に ReRAM モジュールを提供し、完全に機能するデモ チップを製造しました。

2023年8月のフラッシュメモリサミットで、Weebit Nanoの品質および信頼性担当バイスプレジデントであるアミール・レゲブ氏は、組み込みReRAM市場の開発トレンドと、この分野におけるWeebit Nanoの技術進歩と成果を紹介しました。同氏は、新興不揮発性メモリ（NVM）市場は2028年までに27億米ドルに達すると予想されており、MCUの出荷量が増加するにつれ、特に組み込みアプリケーションにおいてReRAMが市場シェアの37％を占めると予想されていると指摘した。ウェーハ体積の%。

現在、Weebit は半導体企業や工場に IP をライセンス供与することで商業運用モデルを実装しており、その ReRAM テクノロジーは 28 ～ 130nm プロセス ノードでシリコン検証されており、2024 年に開始予定の GlobalFoundries の 22FDX プラットフォームでのテープアウトも正常に完了しています。生産。

SkyWater で製造された Weebit の ReRAM モジュールは主要な認定を完了しており、ReRAM テクノロジーの成熟における重要なマイルストーンを示しています。

Weebit Nano は、ReRAM の新興メモリが主流になりつつあると述べました。

上記の応用分野に加えて、ニューロモーフィック コンピューティングも ReRAM の潜在的な応用分野です。

Facebook や Google などの一部の企業は、ニューラル ネットワークを使用した機械学習システムを開発しています。ニューラル ネットワークは、システム (その多くは SRAM ベースのメモリを備えた FPGA や GPU を使用) がデータを処理し、パターンを認識するのに役立ちます。メモリ業界は、この分野向けに、GPU/SRAM アーキテクチャと比較してはるかに高密度な ReRAM を開発しています。

しかし、ニューロモーフィック システムでは、複数のスタックされた ReRAM デバイスをカスケード接続する必要があります。 ReRAM が市場に参入する前に、メモリ業界はまず小規模で ReRAM を習得する必要があります。

ムーアの法則が徐々に減速するにつれて、次世代コンピューティングのニーズを満たす効率的なストレージ テクノロジを見つけることがますます重要になっています。この文脈において、ReRAM は大きな可能性を示しています。

ReRAM テクノロジーは次世代メモリ ソリューションとして有望ですが、その普及を妨げる特定の課題に依然として直面しています。 1 つ目は、電流リークを引き起こし、メモリの誤読み取りにつながる可能性がある「スニーク パス」の問題です。2 つ目は、ReRAM が依存する抵抗スイッチング メカニズムにとって重要な酸素欠損の形成と安定性に関する懸念です。さらに、信頼性の高いスイッチングのためにメモリセル内に均一な電界を生成することも設計上のハードルです。繰り返しになりますが、ReRAM はフラッシュ メモリなどの従来のメモリと比べてエネルギー効率が優れていますが、超低電力アプリケーションのニーズを満たすためにこの特性を強化することは技術的なハードルです。

短期的には、ReRAM は NAND やその他の主流メモリに取って代わることはありませんが、特に高性能、低消費電力、小型化、高密度のストレージ ソリューションを必要とする組み込みシステムやその他の分野でその地位を確立するでしょう。

MRAMが目立つ

FeRAM や ReRAM に加えて、MRAM や PCM などの他の新興メモリ テクノロジも広く議論されています。これらのテクノロジーにはそれぞれ独自の利点とアプリケーション シナリオがありますが、独自の課題にも直面しています。

進化し続けるテクノロジー環境の中で、特定のイノベーションは、業界を再構築し、パフォーマンス基準を再定義する可能性を秘めています。磁気抵抗ランダム アクセス メモリ (MRAM) は、このような大きな進歩です。

MRAM、磁気 RAM は磁気メモリとしても知られ、トンネル磁気抵抗効果に基づく技術です。

MRAM は、基本的なメモリ単位として磁気トンネル接合 (MTJ) を使用します。各MTJは、薄い絶縁層で挟まれた2層の磁性材料で構成されており、2層の磁性材料の磁化方向が一致しているかどうかに応じて、MTJは情報を記憶するために異なる抵抗値を示します。 MRAM は、DRAM の高速読み取りおよび書き込み性能と SRAM の不揮発性特性を組み合わせたもので、低消費電力、高耐久性、広い動作温度範囲、ほぼ無制限の消去および書き込みサイクルという利点もあります。

MRAMの概略図

MRAM の技術的特徴:

不揮発性:強磁性体の磁性は停電によって消えることはなく、MRAM は不揮発性です。

無制限の読み取りおよび書き込み時間:強磁性体の磁性は電源を切っても消えないばかりでなく、ほぼ永久に書き換えが可能であると考えられています。

高速書き込み速度と低消費電力:MRAM の書き込み時間は 2.3ns と短く、消費電力が非常に低いため、瞬時の電源オン/オフを実現し、ポータブル コンピュータのバッテリ寿命を延ばすことができます。

ロジックチップとの高度な統合:MRAM ユニットは論理回路チップに簡単に埋め込むことができ、バックエンドのメタライゼーション プロセスに追加されるのは、フォトリソグラフィ マスクを必要とする 1 つまたは 2 つのステップだけです。さらに、MRAM セルはチップの金属層内に完全に製造でき、セルを 2 ～ 3 層積層することもできるため、論理回路上に大規模なメモリ アレイを構築できる可能性があります。

MRAM の研究は、記憶密度の向上、書き込みエネルギーの削減、読み取りおよび書き込み速度の向上、製造プロセスの互換性とコスト効率の向上に重点を置いています。 STT-MRAM は、書き込み電流が低く、スケーラビリティが優れているため、研究のホットスポットとなっています。一方、SOT-MRAM は、消費電力の低減とスイッチング速度の高速化を実現できる可能性があるため、注目を集めています。

MRAM は、従来の技術よりも高速で耐久性があり、消費電力が低い不揮発性メモリであり、自動車、産業、ウェアラブル、航空宇宙、防衛などのさまざまな業界で大きな注目と応用が進んでいます。

通常、特許出願は、その技術が多くの注目を集めていることを明確に示しています。技術が商業用途に関連するほど、特許出願の数は多くなります。

LexisNexis の統計によると、MRAM 市場における特許出願件数は 2004 年から 2013 年まで安定しており、毎年約 300 ～ 400 件の特許出願が行われています。 2011年にピークがありました。さらに調査を進めると、東芝が2011年にこの技術分野での特許出願を増加させ、この急増につながったことが判明した。

過去 20 年間の MRAM 分野の特許出願動向と IEEE 出版物

グラフの最後にある下落は関心の低下を表しているのではなく、特許出願と公開の間の遅れを表していることに注目する価値があります。

特許ポートフォリオの規模を考慮して、LexisNexis は上位 10 社を次の 3 つのカテゴリーに分類したことがわかります。

強力な特許ポートフォリオの所有者: サムスン、キオクシア、TSMC。

フォロワー: TDK と IBM。

他の会社。

MRAM分野における特許ポートフォリオの強さによる上位10社の品質

MRAM、商業的可能性が強調される

MRAM の開発の歴史を振り返ると、TSMC は 2002 年に台湾工業研究院と MRAM 協力開発計画を締結しました。

最初に商品化された MRAM は、2006 年にフリースケール セミコンダクタによって製造された容量 4Mb の Toggle-MRAM で、ハネウェルやコブハムなどの企業も関連製品を発売しました。東芝は、2014 年に SRAM を STT-MRAM に置き換え、マイクロプロセッシングのキャッシュ消費電力を向上させると発表しました。デバイスは60%近く削減され、2017年には北京航空航天大学と中国科学院マイクロエレクトロニクス研究所が共同で国内初の80ナノメートルSTT-MRAMデバイスの作製に成功した。

2023年6月、深セン松山湖材料研究所のスピン量子材料・デバイス研究グループは、カリフォルニア大学ロサンゼルス校、キング・アブドラ科学技術大学、中国電子科学技術大学、中国科学院と共同研究を行った。中国科学院物理学は、高記憶密度と垂直磁気異方性トンネル接合 (pMTJ) を組み合わせた、トポロジカル絶縁体ベースのより高度な SOT-MRAM メモリ デバイスの実現を目指しています。 TSMCは、16/12nmプロセスなどの関連MRAM製品ラインを開発しました。

また、2023年にNXPはTSMCと協力して、次世代の自動車アーキテクチャをサポートする業界初の車載用16ナノメートルFinFET組み込みMRAMを共同開発しました。この提携は、先進的な自動車アプリケーションの性能と信頼性を向上させることを目的として、自動車分野における MRAM の重要性の高まりを浮き彫りにします。

今年1月18日、TSMCと工業研究所はSOT-MRAMアレイチップの開発に成功したと発表し、次世代MRAMメモリ技術の分野で大きな進歩を遂げた。この革新的な製品は、高度なコンピューティング アーキテクチャを使用しているだけでなく、消費電力は同様のテクノロジ STT-MRAM のわずか 1% です。

さらに、TSMC は SOT-MRAM と VC-MRAM を積極的に研究し、外部の研究機関、コンソーシアム、学術パートナーと協力しています。

MRAM分野におけるイノベーションの成熟度が高い上位10社

TSMCとほぼ同時に、Samsungは2002年にMRAM開発計画を発表した。 2005 年に、Samsung は STT-MRAM の研究開発を主導しました。この技術は後に、ハイパフォーマンス コンピューティングの分野における最終レベル キャッシュのパフォーマンス要件を満たすことができることが証明され、強力なツールであると考えられました。ニッチ市場を突破する。

2022 年初頭、サムスン電子は世界初の MRAM ベースのインメモリ コンピューティングの研究結果をトップ学術誌ネイチャーに発表しました。欧州で開催される SFF 2023 で、サムスンは次世代自動車技術に革命を起こすビジョンと、サムスン初の 5nm eMRAM の開発計画を発表しました。同社は2024年までに14nm eMRAMを発売することに加えて、2026年までに8nm、2027年までに5nmとeMRAM製品ポートフォリオをさらに拡大することも計画している。 14nm プロセスと比較して、8nm eMRAM は密度が 30%、速度が 33% 向上すると予想されます。

これらすべての新興メモリ技術の中で、MRAM はより大きな商業的可能性を秘めた技術の 1 つです。

MRAM メモリには耐久性と大量生産という利点がありますが、実際のデバイスの複雑な材料システム、低いスイッチング率、CMOS プロセスと完全に一致させる必要があるなど、多くの課題にも直面しています。さらに、MRAM の開発は、動的消費電力、エネルギー遅延効率、および信頼性において依然としてボトルネックに直面しています。

一般的に言えば、MRAM はまだ成熟した技術とは言えず、そのコスト面での利点はまだ注目されていません。また、他の新興ストレージ技術も開発されており、完全に置き換えるという点では、MRAM がより有望であるとしか言えません。 DRAM や NAND、MRAM にはまだ長い道のりがあります。

PCM、新しいコンピューティングパラダイムを開く

PCM、相変化 RAM。相変化メモリまたは PCRAM とも呼ばれます。

PCM の原理は、温度を変化させることによって相変化材料を低抵抗の結晶 (導電性) 状態と高抵抗のアモルファス (非導電性) 状態の間で変換し、2 つの状態間の導電率の差を使用して区別することです。 0 と 1"。これによりデータの保存が可能になります。

PCMの概略図

PCM は、NAND の不揮発性と、DRAM の高い読み書き速度と長寿命を併せ持ち、低遅延、高密度、低消費電力、および CMOS テクノロジーとの互換性という利点を備えています。メモリとメインメモリの 2 in 1 の可能性は、将来的には高性能データセンター、サーバー、モノのインターネット、その他のシナリオに適用されることが期待されます。

PCM の技術的特徴:

低遅延、バランスのとれた読み取り時間と書き込み時間:PCM は更新コードを書き込む前に以前のコードやデータを消去する必要がないため、NAND フラッシュと比較して PCM の読み書き速度が向上し、読み書き時間のバランスが取れています。

長寿命:PCM の読み取りおよび書き込みは非破壊的なため、書き込み耐久性はフラッシュ メモリをはるかに上回り、従来の機械式ハード ドライブの代わりに PCM を使用すると信頼性が高くなります。

低消費電力:PCM には機械的な回転デバイスがなく、コードやデータを保存するためにリフレッシュ電流を必要としないため、PCM の消費電力は HDD、NAND、および DRAM よりも低くなります。

高密度:一部の PCM は、高密度ストレージを実現するために非トランジスタ設計を採用しています。

優れた耐放射線性:PCM ストレージ技術は材料内の荷電粒子の状態とは無関係であるため、宇宙放射線に対して強い耐性があり、国防および航空宇宙のニーズを満たすことができます。

現時点では、PCM の明確な物理的限界は見つかっていません。研究によると、相変化材料が 2nm の厚さに薄くなったとしても、メモリデバイスは依然として相変化を起こすことができます。したがって、PCM はメモリ技術の物理的限界問題を解決し、将来的には新世代の半導体メモリデバイスの 1 つとなる可能性があります。

2006 年、インテルはサムスンと協力して最初の商用 PCM チップを製造しました。 2015 年、Intel と Micron は革新的な PCM メモリ チップである 3D Xpoint を共同開発しました。前者はこのテクノロジーを Optane と名付け、後者は QuantX と名付けました。

3D Xpoint テクノロジーは、不揮発性メモリの分野で革命的な進歩を遂げました。その速度は DRAM よりわずかに遅いですが、その容量は DRAM よりも大きく、フラッシュ メモリよりも 1,000 倍高速です。

しかし、3D Xpoint はスタッキング構造を採用していることも明らかです。積層する層が増えるほど必要なマスクの数も増えるため、IC 製造業界全体でマスクが最も大きなコストを占めます。したがって、製造の観点から、数十層の三次元積層構造を実現することは非常に困難です。

Intel の Optane メモリ事業の閉鎖に伴い、3D XPoint メモリ テクノロジも終了しました。

ただし、業界は依然として PCM テクノロジーを開発中です。 2022 年初め、華中科技大学集積回路学部の情報記憶材料デバイス研究所 (ISMD) と西安交通大学材料革新設計センター (CAID) が相変化メモリを開発しました。メッシュアモルファス構造を採用し、消費電力は0.05pJ以下で、主流製品に比べて消費電力が1000分の1です。

今年4月、韓国科学技術アカデミーは、電気工学部のシンヒョン・チェ教授率いる研究チームが次世代相変化メモリデバイスを開発したと発表し、関連成果がトップジャーナル「ネイチャー」に掲載された。論文のタイトルは「相変化可能な自己閉じ込めナノフィラメントによる相変化メモリ」です。

この論文では、相変化可能な SiTex ナノワイヤを使用して PCM リセット電流を効果的に低減する新しい PCM デバイスを紹介します。この革新的な設計により、製造コストを犠牲にすることなくリセット電流を大幅に削減できます。具体的には、開発されたナノフィラメント PCM は、約 10 μA という超低リセット電流を示します。これは、拡張性の高い従来の PCM よりも 1 ～ 2 桁低い値です。

PCM テクノロジーにおけるこの画期的な進歩は、新しいコンピューティング パラダイム、特に PCM の独自の特性から恩恵を受けるアプリケーションを開拓する上で、業界にとって重要な一歩となります。

PCM には多くの利点がありますが、現在、アプリケーションに多くのボトルネックがあり、商用化が停滞しているという明らかな欠点もいくつかあります。まず、PCM ストレージ プロセスは温度調整に依存しており、温度に非常に敏感であるため、幅広い温度シナリオには適用できません。第二に、PCM メモリは CMOS プロセスと互換性を持たせるために多層構造を採用しているため、記憶密度が低すぎて、NAND フラッシュに代わる容量要件を満たすことができません。また、大規模工業化にはコストと収量もネックの一つとなっている。

最後に書きます

メモリ業界は長年にわたり、新しいストレージ技術を模索してきました。FeRAM、ReRAM、MRAM、PCMのいずれであっても、それらはすべて従来のストレージの「パフォーマンスの壁」と「ストレージの壁」の問題をある程度解決し、ノイマン型アーキテクチャを打ち破り、データによって引き起こされる遅延や遅延を排除することを目的としています。より高いコンピューティング能力とエネルギー効率比を達成するために消費電力を削減しますが、4 つの新興ストレージ システムの具体的な技術的特性と商品化レベルは異なります。

主流のストレージ テクノロジーと新興のストレージ テクノロジーの比較

さまざまな種類の技術的特性と市場状況の分析に基づくと、これらの新興テクノロジーは現時点では DRAM/NAND フラッシュ メモリに代わる能力を持っていませんが、データが爆発的に増加する時代において、新興ストレージは強力なパフォーマンス、長寿命、信頼性や高温耐性などの優れた特性により、メモリ市場のギャップを埋め、メモリ分野の新たな選択肢となることが期待されています。

記事の冒頭で述べたように、現在の従来のやり方における継続的な技術革新の欠点が明らかになり、市場は新しいシナリオのニーズを満たすことができるメモリ製品を緊急に必要としており、新興ストレージにはチャンスが広がっています。 。

ただし、新興ストレージの開発プロセスにおいて、メモリ業界が DRAM および NAND フラッシュ メモリの拡張を続けており、新しい種類のメモリが市場での地位を占めることが困難になっていることに注意する必要があります。

一部の業界専門家は、将来を見据えて、単一の種類のメモリが全能ですべてのアプリケーションを処理できるわけではないと述べています。各テクノロジーには異なる特性があり、異なる機能の実行に適しています。これらの高度なストレージ テクノロジは、その独自の利点を反映して活用できるアプリケーションで最初に使用されることが期待されています。