소식

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DRAM은 1970년대부터 상용 시장에 진출해 읽기 및 쓰기 속도가 매우 빨라 스토리지 분야 최대 규모의 시장으로 자리잡았다. 스토리지 용량에 대한 수요가 증가하고 있으며, 저비용, 대용량 NAND 플래시가 최선의 선택이 되었습니다.

오늘날 AI 물결의 부상과 함께 HBM이 선두를 달리고 있습니다.

스토리지 기술은 지난 50년간 발전하고 변화해 왔으며 이제는 점차 DRAM, Flash, SRAM의 주요 분야를 형성해 왔습니다.

그러나 반도체 제조 기술이 계속해서 더 작은 기술 노드로 이동함에 따라 새로운 응용 시나리오에서는 속도, 전력 소비, 용량, 신뢰성 등의 측면에서 데이터 저장에 대한 더 높은 요구 사항을 제시하고 기존 방식의 지속적인 기술 혁신의 단점을 제시했습니다. 이후 DRAM, NAND 플래시 등은 점점 더 심각한 문제에 직면하기 시작했으며 이러한 스토리지 기술과 논리 컴퓨팅 장치 간의 개발 속도 불일치로 인해 컴퓨팅 성능의 추가 향상이 심각하게 제한되었습니다. 그리고 에너지 효율성.

따라서 업계에서는 새로운 스토리지 기술에 큰 기대를 걸기 시작했으며 점점 더 많은 새로운 기술이 빠르게 등장하고 있습니다.

현재 업계에서는 주로 강유전성 메모리(FeRAM/FRAM), 저항성 메모리(ReRAM/RRAM), 자기 메모리(MRAM), 상변화 메모리(PCM) 등 4가지 유형의 신흥 메모리에 중점을 두고 있습니다.이러한 신흥 메모리 기술은 SRAM의 스위칭 속도와 DRAM의 고밀도 특성을 플래시의 비휘발성 특성과 통합하는 것을 목표로 합니다.

기존 기술과 신기술의 충돌에 직면한 현재 DRAM과 NAND의 업계 지배 추세가 계속될 수 있을까요? 아니면 FeRAM, ReRAM, MRAM, PCM과 같은 새로운 메모리 기술이 이를 대체하게 될까요? 앞으로 스토리지 시장의 동향과 운명은 어떻게 될까요?

강유전체 메모리 FeRAM, 문제는?

3D XPoint 메모리 기술 출시 7년 후인 2022년 7월 28일, 인텔은 Optane 메모리 사업을 종료한다고 발표했습니다. 스토리지 업계에 있어 이 소식은 놀라운 일이 아닐 수도 있습니다. 인텔의 첫 비휘발성 메모리 상용 제품인 옵테인의 사업 진행은 순조롭지 않았고, 그 생산량도 결코 칩 가격이 합리적인 수준에 도달하지 못할 것이다.

그러므로 아오텡은 실패의 결말을 피할 수 없다.

FeRAM은 또 다른 새로운 메모리 후보 기술입니다. 수년 동안 메모리 업계는 기존 메모리의 기술 한계와 격차를 메우기 위해 FeRAM 및 기타 차세대 메모리 기술을 개발해 왔습니다.

FeRAM의 전체 이름은 강유전성 RAM(강유전성 랜덤 액세스 메모리)이며 강유전성 메모리라고도 합니다. FeRAM은 강유전성 결정 재료를 저장 매체로 사용하고 강유전성 결정 재료의 전압과 전류 사이의 관계에서 특징적인 히스테리시스 루프의 특성을 활용하여 정보 저장을 달성합니다.

FeRAM 구조 다이어그램

FeRAM 제품은 ROM의 비휘발성 데이터 저장 특성과 RAM의 무제한 읽기 및 쓰기, 고속 읽기 및 쓰기, 낮은 전력 소비 등의 장점을 결합합니다.

FeRAM에는 다음과 같은 기술적 특징이 있습니다.

비휘발성:FeRAM의 가장 주목할만한 특징은 정전 후에도 데이터가 손실되지 않으며 비휘발성 메모리라는 것입니다.

고속 읽기 및 쓰기:FeRAM은 상대적으로 빠른 읽기 및 쓰기 속도를 가지며 액세스 시간은 일반적으로 약 50ns, 사이클 시간은 약 75ns이므로 빠른 데이터 액세스가 필요한 상황에서 유리합니다.

긴 수명:FeRAM은 읽기 및 쓰기 내구성이 높으며 일반적으로 기존 EEPROM 및 플래시 메모리를 훨씬 능가하는 수십억 번의 읽기 및 쓰기 주기에 도달할 수 있습니다.

낮은 전력 소비:FeRAM은 데이터를 저장할 때 데이터 상태를 유지하기 위해 추가 전력이 필요하지 않기 때문에 전력 소모가 상대적으로 적습니다.

높은 신뢰성:CMOS 프로세스와 호환되며, 넓은 작동 온도 범위, 높은 신뢰성을 제공합니다.

FeRAM은 저장 밀도가 낮고 용량이 제한되어 있어 DRAM과 NAND 플래시를 완전히 대체할 수는 없지만 고용량, 높은 읽기 및 쓰기 속도와 빈도, 긴 서비스 수명을 요구하지 않는 시나리오에서 개발 가능성이 있습니다. 시계, 스마트카드, IoT기기 등 가전분야는 물론 자동차, 산업용 로봇까지.

개발 역사를 되돌아보면, 과학자들은 1920년 초에 강유전성 재료의 개념을 제안했고, MIT의 석사 과정은 1991년에 처음으로 강유전성 축전기를 데이터 저장 요소로 사용하는 개념을 제안했습니다. 미국의 Ramtron사(Cypress 인수)는 1993년부터 2T/2C 구조의 Low-level FeRAM 제품을 생산하기 시작했고, Ramtron은 1996년에 세계 최초의 4Kb FeRAM 제품을 양산했으며, Hitachi는 256kb FeRAM을 개발하여 12월에 출시했습니다. 같은 해에 상장되었습니다.

이후 FeRAM의 개발과 적용은 새로운 장을 열었습니다.

FeRAM, 진행이 느리다?

현재 FeRAM 시장의 주요 업체로는 Infineon(Cypress 인수), Fujitsu, Texas Instruments, IBM, Micron 등이 있습니다. 이들 회사는 스마트 미터, 자동차 시스템, 웨어러블 장치 및 IoT 강유전성 메모리 제품과 같은 애플리케이션을 위한 다양한 솔루션을 제공합니다. .

Fujitsu는 자동차 및 산업용 애플리케이션을 위한 고속 강유전체 메모리 제품을 20년 이상 산업 시장에 제공해 왔습니다. Texas Instruments는 IoT 장치 및 웨어러블용 FeRAM 기반 마이크로컨트롤러를 제공하고, IBM은 서버 애플리케이션을 제공합니다. Infineon은 자동차 및 산업 제어 시스템을 위한 강유전성 메모리 솔루션 제공에 중점을 두고 있습니다.

마이크론은 2023년 12월 IEEE IEDM 컨퍼런스에서 32Gb 3D NVDRAM 연구개발 결과를 공개했는데, 이는 기존 후지쯔와 SK하이닉스의 8Mb 제품은 물론 인피니언의 16Mb, 도시바의 128Mb 제품보다 훨씬 큰 규모다.

NVDRAM 메모리는 강유전성 원리를 바탕으로 NAND 플래시 메모리와 유사한 비휘발성을 가지면서도 DRAM에 가까운 높은 내구성과 낮은 지연 시간을 구현할 수 있는 것으로 알려졌습니다. 이 신흥 메모리는 이중층 3D 스태킹을 사용하며 32Gb의 용량 밀도는 강유전성 메모리의 새로운 기록을 세웁니다. 마이크론은 LPDDR5 사양을 기반으로 NVDRAM 샘플을 테스트해 AI 부하에 적합하다고 판단하고 있지만, 양산 시기는 알 수 없다.

2021년 3월 초 Micron은 Optane 3D XPoint 시장에서 철수하면서 다음과 같이 밝혔습니다. "Micron은 3D XPoint 프로그램의 혁신을 통해 얻은 지식과 관련 엔지니어링 전문 지식 및 리소스를 메모리 중심 제품에 적용할 계획입니다. 메모리 저장층을 겨냥한 신흥 제품, FeRAM이 표적이었을 수도 있다”고 말했다.

또한 Jita Semiconductor는 국내 신흥 강유전체 메모리 공급업체인 Wuxi Shunming Storage Technology Priority Company와도 협력하여 2023년 12월 국내 최초의 110nm 신흥 강유전체 메모리 제품을 출시했습니다. 기존 기술에 비해 신제품 영역은 더 작습니다. 40%~60% 성능이 대폭 향상됐으며, 2024년 1분기 정식 양산 예정이다.

Jita Semiconductor의 새로운 강유전체 메모리 공정 기술

다양한 기능을 갖춘 FeRAM은 향후 메모리 개발 방향 중 하나가 될 것으로 예상됩니다.

그러나 개발에는 몇 가지 과제도 있습니다. 첫째, FeRAM의 수율은 어레이 크기 제한의 영향을 받으며 더 개선되어야 합니다. 둘째, FeRAM은 특정 읽기 주기에 도달하면 내구성이 저하될 수 있습니다. 또한, FeRAM의 제조 비용은 상대적으로 높으며 생산 규모의 확대 및 기술 발전에 따라 감소해야 합니다.

업계 일부에서는 FeRAM과 Optane이 동일한 딜레마에 빠져 있다고 생각합니다. 대량 생산을 달성하여 각 칩의 비용을 저렴한 수준으로 줄일 수 있는 실행 가능한 방법이 없으며 현재 진행 속도가 느립니다.

Micron은 시장이 충분히 매력적이라면 Micron은 판매용 NVDRAM 제품을 생산할 수 있지만 기술에 대한 자본 수익이 NAND 또는 DRAM에 투자하는 것보다 높을 경우에만 가능하다고 말했습니다.

이는 틈새 임베디드 메모리 시장에 대한 매우 큰 요구입니다.

마이크론, SK하이닉스, 삼성 등 대형 스토리지 제조사들이 FeRAM 메모리를 대규모로 채택하지 않는다면, 스타트업이 파운드리와의 협력을 통해 제품 기술을 개발하고 입증하기까지는 아직 갈 길이 멀다. 이러한 상황이 발생하기 전까지는 FeRAM은 기술연구소의 연구실에만 남아 있을 뿐 대규모 상용화는 불가능합니다.

ReRAM 신흥 메모리가 주류로 자리잡고 있습니다.

FeRAM과 비교하여 ReRAM 장치는 적극적이고 지속적이며 성공적으로 개발 및 상용화되었습니다. 자동차, IoT 및 기타 애플리케이션은 ReRAM의 성장 동력 중 하나입니다.

ReRAM의 전체 이름은 저항성 랜덤 액세스 메모리(저항성 랜덤 액세스 메모리)이며 저항 스위칭 메모리 또는 RRAM이라고 합니다.

ReRAM은 외부 전기장의 작용에 따라 고저항 상태와 저저항 상태 사이를 가역적으로 전환할 수 있는 비전도성 물질의 저항을 기반으로 하는 비휘발성 메모리입니다. 가장 간단한 저장 기술로 ReRAM 구조는 샌드위치처럼 보입니다. 두 개의 금속층 사이에 절연 유전체층(저항성 스위칭층)이 끼워져 있어 상부 및 하부 전극과 저항성 스위칭층으로 구성된 금속-유전체층-금속을 형성합니다. (MIM) 3층 구조.

전도성 필라멘트는 저항층에서 비휘발성 저저항 상태 또는 고저항 상태의 두 가지 온오프 상태를 나타내어 "0"과 "1" 상태의 구별 및 저장을 실현합니다.

ReRAM에는 다양한 기술 범주가 포함됩니다. 현재 주류 기술 경로에는 주로 산소 공공 메모리 OxRAM, 전도성 브리지 메모리 CBRAM, 금속 이온 메모리 MeRAM 및 탄소 나노튜브 CaRAM이 포함되며 일반적으로 금속 이온 또는 산소 공공과 같은 전도성 요소를 브리지로 이동합니다. 기존 브리지에서 제거하여 1 또는 0을 나타냅니다.

ReRAM 기술 기능:

고속:ReRAM 삭제 및 쓰기 속도는 일반적으로 100ns 미만인 저항 변화를 유발하는 펄스 폭에 따라 결정됩니다.

강한 내구성:ReRAM 읽기 및 쓰기는 가역적이고 손상 없는 모드를 채택하여 서비스 수명을 크게 연장할 수 있다는 점에서 NAND와 다릅니다.

다중 비트 저장 기능:일부 ReRAM 재료는 또한 여러 저항 상태를 가지므로 단일 메모리 셀이 여러 비트의 데이터를 저장할 수 있어 저장 밀도가 높아집니다.

ReRAM은 DRAM의 읽기 및 쓰기 속도와 NAND의 비휘발성을 결합합니다. 밀도, 에너지 효율 비율, 비용, 프로세스 및 수율 측면에서 종합적으로 측정할 때 ReRAM 메모리는 기존 신흥 메모리에 비해 분명한 이점을 가지고 있습니다.

여러 가지 장점을 갖춘 ReRAM은 이제 130nm에서 22nm 이하의 임베디드 비휘발성 메모리(NVM)로 점점 더 많은 프로세스에 통합되고 있으며 스마트 자동차, 엣지 AI, MCU, PMIC 등 애플리케이션에 사용됩니다. 저전력 소비, 저비용, 바이트 주소 지정 가능성, 고급 노드로의 확장성, 다양한 환경 조건에 대한 강력한 적응성이라는 특징을 가지고 있습니다.

또한 ReRAM을 기반으로 한 두뇌 영감 컴퓨팅은 중장기적으로 폰 노이만 컴퓨팅 아키텍처의 병목 현상을 극복할 수 있으며 스토리지와 컴퓨팅의 통합을 달성하기 위한 최선의 선택 중 하나로 간주됩니다.

이러한 영역에서는 신속한 데이터 처리 및 저장 요구 사항이 중요합니다.

고도로 통합되고 에너지 효율적이며 성능 지향적인 ReRAM 기술을 만들기 위한 경쟁은 다양한 애플리케이션을 위한 미래 메모리 솔루션에 흥미로운 발전을 가져옵니다. 예를 들어 무인 자동차나 스마트 산업용 로봇에서 낮은 전력 소비와 내구성을 갖춘 ReRAM은 낮은 에너지 소비로 복잡한 데이터 작업을 처리하고 데이터 지속성과 신뢰성을 보장할 수 있습니다. 이러한 특성은 미래 엣지 AI 시장에서 ReRAM의 광범위한 응용 가능성을 제공합니다.

ReRAM, 상용화 진행 가속화

사실 ReRAM은 이미 1960~70년대부터 주목을 받기 시작한 개념은 아니다.

업계 관점에서 보면 Panasonic, Renesas, Western Digital, Fujitsu, Samsung, Sony, Adesto 및 Crossbar가 ReRAM 분야의 주요 제조업체입니다. 파운드리 분야에서는 SMIC, TSMC, UMC, GlobalFoundries 등이 파운드리 고객을 위한 ReRAM 프로세스를 개발하거나 제공하고 있습니다.

개발 궤적은 대략 다음과 같습니다. 2013년 Panasonic과 Adesto는 각각 180nm 및 130nm 프로세스의 ReRAM 제품을 출시했습니다. Fujitsu와 Panasonic은 2017년에 공동으로 4Mb 용량의 ReRAM 칩을 출시했으며 Crossbar와 SMIC는 40nm 8Mb 용량의 칩을 출시했습니다. 이를 바탕으로 2018년에는 Adesto가 130nm 공정의 신제품을 출시했고, Crossbar와 Microsemi는 28nm eReRAM을 출시했으며, Fujitsu는 2020년경에 8Mb 용량의 MB85AS8MT ReRAM 칩을 출시했습니다. , Intel은 22FFL 프로세스를 사용하여 eReRAM 제품을 출시했습니다. 이후 2024년까지 많은 회사가 여러 40nm ReRAM 제품을 출시하여 ReRAM 기술을 계속 발전시켰습니다.

올해 7월 국내 헤드 패널 제조사인 Visionox가 임베디드 ReRAM 스토리지 기술을 적용한 세계 최초 AMOLED 디스플레이 드라이버 칩 개발 및 인증을 완료했습니다.

보도에 따르면 이는 AMOLED에 임베디드 RRAM 저장 기술을 사용하는 최초의 디스플레이 드라이버 칩입니다. Demura 보상 기능을 달성하기 위해 내장 SRAM + 외부 플래시 솔루션을 사용하는 기존의 기존 디스플레이 드라이버 칩과 비교할 때, 이 새로운 드라이버 칩은 기존 외부 플래시 칩을 직접 제거하여 높은 외부 장치 비용 및 보상 매개변수 문제를 효과적으로 해결합니다. 이는 기존 칩에 존재하는 판독 속도 저하 등의 문제를 극복하고, AMOLED 디스플레이 드라이버 칩 기술의 중요한 돌파구입니다.

지난 5월, 분석 회사 TechInsights는 TSMC의 최신 22ULL ​​eRRAM(임베디드 저항 스위칭 메모리) 칩이 스토리지 기술에서 중요한 진전을 이루었다고 보고했습니다. 이 칩은 Nordic Semiconductor의 새로운 nRF54L 시리즈 시스템 칩에 사용되어 저전력 무선 장치가 되었습니다. IoT 솔루션인 이 제품은 TSMC의 2세대 eRRAM 제품으로, 업계 최초의 22nm CMOS 기술이 탑재되어 있으며 임베디드 STT-MRAM과 비슷하다고 합니다.

3월에 ByteDance가 투자한 Xinyuan Semiconductor는 고성능 산업 제어, 자동차 SoC/ASIC 칩, 스토리지 및 컴퓨팅 통합(CIM) IP 및 칩을 다루는 ReRAM 최신 스토리지 기술 및 관련 칩의 연구 개발에 주력하는 회사이기도 합니다. 및 시스템 레벨 스토리지(SoM) 칩 및 기타 응용 분야.

Xinyuan Semiconductor는 장치 재료, 프로세스 프로세스, 칩 설계, IP 설계 및 파일럿 대량 생산을 포괄하는 통합 폐쇄 루프 기술을 마스터했으며 본토 최초의 고급 프로세스 ReRAM 12인치 파일럿 백엔드 생산 라인을 구축한 것으로 알려졌습니다. 중국 및 출시 ReRAM 보안 스토리지 제품인 "Xin·Shanwen" 시리즈는 산업 자동화 제어 분야에서 상업적 대량 생산을 달성했습니다.

2023년 8월, 중국과학원 마이크로전자공학 연구소의 Liu Ming 학자 팀은 높은 병렬성과 높은 성능 비율을 갖춘 새로운 RRAM 인메모리 컴퓨팅 구조를 제안했습니다. 장치 수준에서 팀은 계산 전류에 대한 기생 효과의 영향을 줄이고 곱셈 누적 작업의 전력 소비를 줄이는 가중 2트랜지스터-멤리스터(WH-2T1R)를 갖춘 저장 및 계산 어레이 구조를 제안했습니다. 회로 수준에서는 판독 회로의 전력 소비를 크게 줄이는 기준 전류 감소 전류 모드 감지 증폭기 판독 회로가 제안되었습니다. 알고리즘 매핑 수준에서는 계산 정확도를 높이기 위해 MSB_RSM(High-Bit Data Redundancy) 매핑 전략을 제안했습니다. 이러한 솔루션은 팀이 독립적으로 개발한 임베디드 28nm 프로세스에서 검증되었습니다. ResNet-18 작업에서 RRAM 인메모리 컴퓨팅 구조의 평균 에너지 효율은 30.34TOPS/W에 도달하며 다음을 통해 154.04TOPS/W까지 증가할 수 있습니다. 판독 타이밍을 최적화합니다. 연구 결과는 'IEEE Journal of Solid-State Circuits'에 게재됐다.

2023년 8월 Houmo Intelligent는 최초의 상용 RRAM 대용량 메모리 칩에 대한 테스트 및 애플리케이션 시나리오 개발이 완료되었다고 발표했습니다.

ReRAM을 기반으로 한 완전 디지털 스토리지 및 컴퓨팅 통합 AI 대형 컴퓨팅 파워 칩 개발에 중점을 둔 Yizhu Technology도 있습니다. 2023년 Yi Zhu Technology는 멤리스터 RRAM(ReRAM)을 기반으로 하는 최초의 고정밀, 저전력 저장 및 계산 통합 AI 대용량 컴퓨팅 성능 POC 칩을 성공적으로 개발했습니다. 이는 전통적인 제조 공정을 기반으로 하며 제3자 검증을 받았습니다. 기존 아키텍처 AI 칩보다 10배 이상 뛰어난 에너지 효율 성능을 갖춘 파티 기관입니다.

또한 2015년에 설립된 이스라엘-프랑스 합작 회사인 Weebit Nano도 수년 동안 ReRAM 메모리 기술에 주력해 왔습니다.

Weebit Nano는 CMOS 반도체 파운드리 Skywater와 제휴하여 ReRAM 모듈을 Skywater 고객에게 제공하고 완전한 기능을 갖춘 데모 칩을 생산했습니다.

2023년 8월 플래시 메모리 서밋에서 Weebit Nano의 품질 및 신뢰성 담당 부사장인 Amir Regev는 임베디드 ReRAM 시장의 개발 동향과 이 분야에서 Weebit Nano의 기술 진보 및 성과를 소개했습니다. 그는 신흥 비휘발성 메모리(NVM) 시장이 2028년까지 27억 달러에 이를 것으로 예상하며, ReRAM은 MCU 출하량이 증가함에 따라 특히 임베디드 애플리케이션에서 시장 점유율의 37%를 차지할 것으로 예상된다고 지적했습니다. 웨이퍼 부피의 %.

현재 Weebit은 반도체 회사 및 팹에 IP를 라이선싱하여 상용 운영 모델을 구현하고 있습니다. ReRAM 기술은 28~130nm 프로세스 노드에서 실리콘 검증을 마쳤으며 2024년 시작 예정인 GlobalFoundries의 22FDX 플랫폼에서 테이프아웃을 성공적으로 완료했습니다. 생산.

SkyWater에서 제조된 Weebit의 ReRAM 모듈은 핵심 인증을 완료하여 ReRAM 기술 성숙도에 있어 중요한 이정표를 세웠습니다.

Weebit Nano는 ReRAM 신흥 메모리가 주류가 되고 있다고 말했습니다.

위의 적용 가능한 분야 외에도 뉴로모픽 컴퓨팅(Neuromorphic Computing)은 ReRAM의 또 다른 잠재적인 응용 분야입니다.

Facebook 및 Google과 같은 일부 회사는 신경망을 사용하는 기계 학습 시스템을 개발했습니다. 신경망은 SRAM 기반 메모리와 함께 FPGA 및 GPU를 사용하는 시스템이 데이터를 처리하고 패턴을 인식하도록 지원합니다. 메모리 업계에서는 이 영역을 위해 GPU/SRAM 아키텍처에 비해 밀도가 훨씬 높은 ReRAM을 개발하고 있습니다.

그러나 뉴로모픽 시스템에는 계단식으로 쌓인 여러 ReRAM 장치가 필요합니다. ReRAM이 시장에 진입하기 전에 메모리 업계는 먼저 소규모로 ReRAM을 마스터해야 합니다.

무어의 법칙이 점차 느려지면서 차세대 컴퓨팅 요구 사항을 충족할 수 있는 효율적인 스토리지 기술을 찾는 것이 점점 더 중요해지고 있습니다. 이러한 맥락에서 ReRAM은 큰 잠재력을 보여주었습니다.

ReRAM 기술은 차세대 메모리 솔루션으로 유망하지만 여전히 광범위한 채택을 방해하는 특정 과제에 직면해 있습니다. 첫 번째는 전류 누출을 유발하고 메모리 읽기 오류로 이어질 수 있는 "몰입 경로" 문제입니다. 두 번째는 ReRAM이 의존하는 저항성 스위칭 메커니즘에 중요한 산소 결손의 형성 및 안정성에 대한 우려가 있습니다. 또한 안정적인 스위칭을 위해 메모리 셀 내에 균일한 전기장을 생성하는 것도 설계상의 장애물입니다. ReRAM은 플래시 메모리와 같은 기존 메모리에 비해 에너지 효율성을 제공하지만 초저전력 애플리케이션의 요구 사항을 충족하도록 이 특성을 향상시키는 것은 기술적 장애물입니다.

단기적으로 ReRAM은 NAND 또는 기타 주류 메모리를 대체하지는 않지만 특히 고성능, 저전력 소비, 소형화 및 고밀도 스토리지 솔루션이 필요한 임베디드 시스템 및 기타 영역에서 그 자리를 찾을 것입니다.

MRAM이 눈에 띕니다

FeRAM 및 ReRAM 외에도 MRAM 및 PCM과 같은 다른 신흥 메모리 기술도 널리 논의되었습니다. 이러한 각 기술에는 고유한 장점과 적용 시나리오가 있지만 고유한 과제도 있습니다.

끊임없이 진화하는 기술 환경에서 특정 혁신은 산업을 재편하고 성능 표준을 재정의할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. MRAM(자기 저항 랜덤 액세스 메모리)은 획기적인 발전을 이루었습니다.

MRAM(Magnetic RAM)은 자기 메모리라고도 알려져 있으며 터널링 자기 저항 효과를 기반으로 한 기술입니다.

MRAM은 기본 메모리 장치로 MTJ(자기 터널 접합)를 사용합니다. 각 MTJ는 얇은 절연층을 사이에 두고 두 개의 자성체 층으로 구성되어 있으며, 두 자성체 층의 자화 방향이 일치하는지 여부에 따라 MTJ는 정보를 저장하는 데 서로 다른 저항값을 나타냅니다. MRAM은 DRAM의 고속 읽기 및 쓰기 성능과 SRAM의 비휘발성 특성을 결합한 것으로, 낮은 전력 소비, 높은 내구성, 넓은 작동 온도 범위, 거의 무제한의 삭제 및 쓰기 주기 등의 장점을 가지고 있습니다.

MRAM 개략도

MRAM 기술적 특징:

비휘발성:강자성체의 자성은 정전으로 인해 사라지지 않으며 MRAM은 비휘발성입니다.

무제한 읽기 및 쓰기 시간:강자성체의 자성은 전원을 꺼도 사라지지 않을 뿐만 아니라 거의 사라지지 않는 것으로 간주됩니다. 따라서 MRAM과 DRAM은 무한정 재기록이 가능합니다.

빠른 쓰기 속도와 낮은 전력 소비:MRAM의 쓰기 시간은 2.3ns로 낮을 수 있고 전력 소비도 매우 낮아 순간적인 전원 켜기/끄기를 실현하고 휴대용 컴퓨터의 배터리 수명을 연장할 수 있습니다.

로직 칩과의 높은 통합:MRAM 장치는 논리 회로 칩에 쉽게 내장될 수 있으며 포토리소그래피 마스크가 필요한 한두 단계만 백엔드 금속화 공정에 추가됩니다. 또한, MRAM 셀은 칩의 금속층에 완전히 제작될 수 있으며, 심지어 2~3개 층의 셀도 적층할 수 있어 논리 회로에 대규모 메모리 어레이를 구성할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

MRAM 연구는 저장 밀도 향상, 쓰기 에너지 감소, 읽기 및 쓰기 속도 향상, 제조 공정의 호환성 및 비용 효율성 향상에 중점을 두고 있습니다. STT-MRAM은 낮은 쓰기 전류와 더 나은 확장성으로 인해 연구 핫스팟이 되었으며, SOT-MRAM은 더 낮은 전력 소비와 더 빠른 스위칭 속도를 달성할 수 있는 잠재력으로 인해 주목을 받았습니다.

MRAM은 기존 기술보다 속도가 빠르고 내구성이 뛰어나며 전력 소모가 적은 비휘발성 메모리로 자동차, 산업, 웨어러블, 항공우주, 방위산업 등 다양한 산업에서 큰 관심과 응용을 얻고 있습니다.

일반적으로 특허 출원은 해당 기술이 많은 관심을 받고 있다는 분명한 신호입니다. 기술이 상업적 애플리케이션과 관련성이 높을수록 특허 출원 수가 더 많아집니다.

LexisNexis 통계에 따르면 MRAM 시장의 특허 출원 건수는 2004년부터 2013년까지 안정적으로 유지되었으며 매년 약 300~400건의 특허 출원이 이루어졌습니다. 2011년에 최고조에 달했습니다. 추가 조사에 따르면 Toshiba는 2011년에 이 기술 분야에서 특허 출원을 늘려 이러한 급증을 주도한 것으로 나타났습니다.

지난 20년간 MRAM 분야 특허 출원 동향 및 IEEE 출판물

차트 끝 부분의 하락은 관심도 하락을 의미하는 것이 아니라 특허 출원과 공개 사이의 지연을 의미한다는 점에 주목할 가치가 있습니다.

LexisNexis는 특허 포트폴리오의 규모를 고려하여 상위 10개 회사를 세 가지 범주로 나눈 것으로 이해됩니다.

강력한 특허 포트폴리오 소유자: Samsung, Kioxia 및 TSMC;

추종자: TDK 및 IBM;

다른 회사.

특허 포트폴리오 강점별 MRAM 분야 상위 10개 기업의 품질

MRAM, 상업적 잠재력 부각

MRAM의 개발 역사를 되돌아보면, TSMC는 이미 2002년 초 대만 산업연구원과 MRAM 협력 개발 계획을 체결했습니다.

최초로 상용화된 MRAM은 2006년 Freescale Semiconductor가 생산한 4Mb 용량의 Toggle-MRAM이었습니다. Honeywell과 Cobham을 비롯한 다른 회사들도 관련 제품을 출시했습니다. Toshiba는 2014년에 SRAM을 STT-MRAM으로 대체하겠다고 발표했습니다. 장치는 거의 60% 감소했으며, 2017년에는 베이징 항공우주대학과 중국과학원 마이크로전자공학 연구소가 공동으로 중국 최초의 80나노미터 STT-MRAM 장치를 성공적으로 준비했습니다.

2023년 6월, 심천 송산 호수 재료 연구소의 스핀 양자 재료 및 장치 연구 그룹은 캘리포니아 대학교 로스앤젤레스, 킹 압둘라 과학 기술 대학교, 중국 전자 과학 기술 대학교 및 과학 연구소와 협력했습니다. 중국과학원 물리학, 높은 저장 밀도와 pMTJ(수직 자기 이방성 터널 접합)를 결합한 위상 절연체 기반의 고급 SOT-MRAM 메모리 장치를 실현합니다. TSMC는 16/12nm 공정 등 관련 MRAM 제품 라인을 개발했습니다.

또한 2023년에는 NXP는 TSMC와 협력하여 차세대 자동차 아키텍처를 지원하기 위한 업계 최초의 자동차용 16나노미터 FinFET 내장 MRAM을 공동 개발했습니다. 이번 협력은 고급 자동차 애플리케이션의 성능과 신뢰성을 향상한다는 목표를 가지고 자동차 부문에서 MRAM의 중요성이 커지고 있음을 강조합니다.

올해 1월 18일, TSMC와 산업 연구소는 SOT-MRAM 어레이 칩의 성공적인 개발을 발표하여 차세대 MRAM 메모리 기술 분야에서 획기적인 발전을 이루었습니다. 이 혁신적인 제품은 고급 컴퓨팅 아키텍처를 사용할 뿐만 아니라 전력 소비도 유사한 기술인 STT-MRAM의 1%에 불과합니다.

또한 TSMC는 SOT-MRAM 및 VC-MRAM을 적극적으로 탐색하고 외부 연구소, 컨소시엄 및 학술 파트너와 협력하고 있습니다.

MRAM 분야 혁신 성숙도 상위 10개 기업

TSMC와 거의 동시에 삼성은 2002년 MRAM 개발 계획을 발표했습니다. 2005년 삼성은 STT-MRAM 연구 개발에 앞장섰습니다. 이 기술은 이후 고성능 컴퓨팅 분야에서 최종 레벨 캐시의 성능 요구 사항을 충족할 수 있음이 입증되었으며, 이를 위한 강력한 도구로 간주되었습니다. 틈새 시장을 돌파하세요.

2022년 초, 삼성전자는 세계 최초로 MRAM 기반 인메모리 컴퓨팅 연구 결과를 최고 학술지 네이처(Nature)에 게재했습니다. 삼성전자는 유럽에서 열린 SFF 2023에서 차세대 자동차 기술을 혁신하겠다는 비전과 삼성 최초의 5nm eMRAM 개발 계획을 발표했습니다. 회사는 2024년까지 14nm eMRAM을 출시하는 것 외에도 2026년에는 8nm, 2027년에는 5nm로 eMRAM 제품 포트폴리오를 더욱 확장할 계획입니다. 8nm eMRAM은 14nm 공정 대비 밀도는 30%, 속도는 33% 향상될 것으로 예상됩니다.

이러한 새로운 메모리 기술 중에서 MRAM은 상업적 잠재력이 더 큰 기술 중 하나입니다.

MRAM 메모리는 내구성과 대량 생산이라는 장점이 있지만, MRAM에도 단점이 없지는 않습니다. 또한 실제 장치의 복잡한 재료 시스템, 낮은 스위칭 비율, CMOS 공정이 완전히 일치해야 하는 등 많은 과제에 직면해 있습니다. 또한 MRAM 개발은 동적 전력 소비, 에너지 지연 효율성 및 신뢰성 측면에서 여전히 병목 현상에 직면해 있습니다.

일반적으로 MRAM은 아직 성숙한 기술과는 거리가 멀고 비용상의 이점이 아직 부각되지 않았습니다. 또한 다른 신흥 스토리지 기술도 현재 완전히 대체할 가능성이 더 높다고 말할 수 있습니다. DRAM이나 NAND, MRAM은 아직 갈 길이 멀다.

새로운 컴퓨팅 패러다임을 여는 PCM

PCM, 위상 변화 RAM, 위상 변화 메모리 또는 PCRAM이라고도 합니다.

PCM의 원리는 상변화 물질을 온도를 변화시켜 저저항의 결정(도전) 상태와 고저항의 비정질(비도전) 상태로 전환시키고, 두 상태의 전도도 차이를 이용하여 구별하는 것이다. 0과 1". 이를 통해 데이터 저장이 가능해집니다.

PCM 개략도

PCM은 NAND의 비휘발성과 DRAM의 높은 읽기/쓰기 속도와 긴 수명을 갖췄으며, 낮은 대기 시간, 높은 밀도, 낮은 전력 소비, 외부 CMOS 기술과의 호환성도 갖추고 있습니다. 메모리와 메인 메모리는 향후 고성능 데이터센터, 서버, 사물인터넷(Internet of Things) 등 다양한 분야에 적용될 것으로 예상된다.

PCM 기술적인 특징:

낮은 대기 시간, 균형 잡힌 읽기 및 쓰기 시간:PCM은 업데이트 코드를 작성하기 전에 이전 코드나 데이터를 지울 필요가 없으므로 NAND 플래시에 비해 PCM 읽기 및 쓰기 속도가 향상되고 읽기 및 쓰기 시간이 더 균형을 이룹니다.

긴 수명:PCM 읽기 및 쓰기는 비파괴적이므로 쓰기 내구성이 플래시 메모리보다 훨씬 뛰어납니다. PCM을 사용하여 기존 기계식 하드 드라이브를 대체하면 신뢰성이 더 높아집니다.

낮은 전력 소비:PCM에는 기계적 회전 장치가 없으며 코드나 데이터를 저장하기 위해 새로 고침 전류가 필요하지 않습니다. 따라서 PCM의 전력 소비는 HDD, NAND 및 DRAM보다 낮습니다.

고밀도:일부 PCM은 고밀도 저장을 달성하기 위해 비트랜지스터 설계를 채택합니다.

우수한 방사선 저항성:PCM 저장 기술은 재료의 하전 입자 상태와 관련이 없으므로 우주 방사선에 대한 저항력이 강하고 국방 및 항공 우주 요구를 충족할 수 있습니다.

현재 PCM에 대한 명확한 물리적 한계는 발견되지 않았습니다. 연구에 따르면 상변화 물질을 2nm 두께로 줄이더라도 메모리 장치는 여전히 상변화를 겪을 수 있습니다. 따라서 PCM은 메모리 기술의 물리적 한계 문제를 해결하고 미래의 차세대 반도체 메모리 장치 중 하나가 될 수 있습니다.

2006년에 인텔은 삼성과 협력하여 최초의 상용 PCM 칩을 생산했습니다. 2015년 인텔과 마이크론은 혁신적인 PCM 메모리 칩인 3D Xpoint를 공동 개발했습니다. 전자는 이 기술을 Optane으로 명명했고 후자는 QuantX로 명명했습니다.

3D Xpoint 기술은 비휘발성 메모리 분야에서 획기적인 발전을 이루었습니다. 속도는 DRAM보다 약간 느리지만 용량은 DRAM보다 높고 플래시 메모리보다 1,000배 빠릅니다.

하지만 3D Xpoint는 스택 구조를 채택한다는 점도 단점입니다. 더 많은 레이어를 쌓을수록 더 많은 마스크가 필요하고, 전체 IC 제조 산업에서 마스크가 가장 큰 비용을 차지하기 때문입니다. 따라서 제조 관점에서 수십 개의 층으로 구성된 3차원 적층 구조를 구현하는 것은 매우 어렵습니다.

인텔의 옵테인 메모리 사업이 종료되면서 3D XPoint 메모리 기술도 종말을 맞이하게 되었습니다.

그러나 업계에서는 여전히 PCM 기술을 개발하고 있습니다. 2022년 초, 화중과학기술대학교 집적회로학과 정보저장재료소자연구소(ISMD)와 시안교통대학교 재료혁신 및 디자인 센터(CAID)가 상변화 메모리를 개발했다. 메시 비정질 구조로 전력 소비량이 0.05pJ 이하로 주류 제품보다 전력 소비량이 천 배나 낮습니다.

지난 4월 한국과학기술한림원은 최신현 전기공학부 교수팀이 차세대 상변화 메모리 소자를 개발했다고 발표했다. 관련 연구 결과가 네이처(Nature) 최신호에 게재됐다. 논문의 제목은 "상 변화 가능한 자체 구속 나노 필라멘트를 통한 상 변화 메모리"입니다.

이 논문에서는 PCM 재설정 전류를 효과적으로 줄이기 위해 상 변화가 가능한 SiTex 나노와이어를 사용하는 새로운 PCM 장치를 소개합니다. 이 혁신적인 설계는 제조 비용을 희생하지 않고도 리셋 전류를 크게 줄일 수 있습니다. 구체적으로, 개발된 나노필라멘트 PCM은 약 10μA의 초저 리셋 전류를 나타내며, 이는 확장성이 뛰어난 기존 PCM보다 1~2배 정도 낮습니다.

PCM 기술의 이러한 혁신은 업계에서 새로운 컴퓨팅 패러다임, 특히 PCM의 고유한 특성을 활용할 수 있는 응용 프로그램을 여는 중요한 단계입니다.

PCM에는 많은 장점이 있지만 몇 가지 명백한 단점도 있습니다. 현재 PCM에는 애플리케이션 병목 현상이 많아 상용화가 정체되고 있습니다. 첫째, PCM 저장 프로세스는 온도 조절에 의존하고 온도에 매우 민감하기 때문에 광범위한 온도 시나리오에 적용할 수 없습니다. 둘째, PCM 메모리는 CMOS 공정과 호환되도록 다층 구조를 채택해 저장 밀도가 너무 낮아 NAND 플래시를 대체할 수 있는 용량 요구 사항을 충족할 수 없습니다. 게다가 비용과 수율도 대규모 산업화의 걸림돌 중 하나가 됐다.

마지막에 쓰세요

수년 동안 메모리 업계는 새로운 스토리지 기술을 모색해 왔습니다.FeRAM, ReRAM, MRAM 또는 PCM이든 모두 기존 스토리지의 "성능 벽" 및 "스토리지 벽" 문제를 어느 정도 해결하고 폰 노이만 아키텍처를 깨고 데이터로 인한 지연 및 지연을 제거하는 것을 목표로 합니다. 더 높은 컴퓨팅 성능과 에너지 효율 비율을 달성하기 위해 전력 소비를 고려하고 있지만, 새롭게 떠오르는 4가지 스토리지 시스템의 구체적인 기술적 특징과 상용화 수준은 서로 다릅니다.

주류 스토리지 기술과 신흥 스토리지 기술 비교

다양한 형태의 기술적 특성과 시장 현황을 분석한 결과, 이들 신흥 기술은 현재 DRAM/NAND 플래시 메모리를 대체할 수 있는 능력은 없습니다. 그러나 폭발적인 데이터 성장 시대에 신흥 스토리지는 강력한 성능, 긴 수명, 신뢰성, 내열성 등 우수한 특성이 메모리 시장의 공백을 메우고 메모리 분야의 새로운 선택이 될 것으로 기대됩니다.

기사 시작 부분에서 언급했듯이 현재의 전통적인 경로에서 지속적인 기술 혁신의 단점이 노출되었습니다. 시장은 새로운 시나리오의 요구를 충족할 수 있는 메모리 제품이 절실히 필요하며 신흥 스토리지에는 기회의 창이 있습니다. .

그러나 신흥 스토리지의 개발 과정에서 메모리 업계가 계속해서 DRAM과 NAND 플래시 메모리를 확장하여 새로운 메모리 유형이 시장에서 자리를 차지하기 어렵게 만들고 있다는 점을 경계할 필요가 있습니다.

미래를 내다보면서 일부 업계 전문가들은 단일 메모리 유형이 전능하지 않으며 모든 애플리케이션을 처리할 수 없다고 말합니다. 각 기술은 서로 다른 특성을 가지며 서로 다른 기능을 수행하는 데 능숙합니다. 이러한 고급 스토리지 기술은 고유한 장점을 반영하고 활용할 수 있는 애플리케이션에 최초로 사용될 것으로 예상됩니다.