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Desde a década de 1970, a DRAM entrou no mercado comercial e se tornou o maior mercado ramificado na área de armazenamento com suas velocidades de leitura e gravação extremamente altas. Após o surgimento dos feature phones, o mercado NOR Flash explodiu na era do PC; para capacidade de armazenamento A demanda está crescendo e NAND Flash de baixo custo e alta capacidade tornou-se a melhor escolha.

Hoje, com a ascensão da onda de IA, a HBM está liderando o caminho.

A tecnologia de armazenamento se desenvolveu e mudou nos últimos 50 anos e agora formou gradualmente os principais campos de DRAM, Flash e SRAM.

No entanto, à medida que a tecnologia de fabricação de semicondutores continua a avançar em direção a nós tecnológicos menores, os cenários de aplicação emergentes apresentam requisitos mais elevados para armazenamento de dados em termos de velocidade, consumo de energia, capacidade, confiabilidade, etc., e as desvantagens da inovação tecnológica contínua no tradicional caminho foi exposto desde então, DRAM, NAND Flash, etc. começaram a enfrentar desafios cada vez mais severos. Juntamente com a incompatibilidade na velocidade de desenvolvimento entre essas tecnologias de armazenamento e unidades de computação lógicas, isso restringiu severamente a melhoria adicional do desempenho da computação. e eficiência energética.

Portanto, a indústria começou a depositar grandes esperanças nas tecnologias de armazenamento emergentes, e cada vez mais tecnologias emergentes estão a emergir rapidamente.

Atualmente, a indústria está focada principalmente em quatro tipos de memórias emergentes: memória ferroelétrica (FeRAM/FRAM), memória resistiva (ReRAM/RRAM), memória magnética (MRAM) e memória de mudança de fase (PCM).Estas tecnologias emergentes de memória visam integrar a velocidade de comutação da SRAM e as características de alta densidade da DRAM, com as características não voláteis do Flash.

Diante do conflito entre tecnologias antigas e novas, a atual tendência de domínio da indústria de DRAM e NAND pode continuar? Ou será que tecnologias emergentes de memória como FeRAM, ReRAM, MRAM ou PCM irão substituí-lo? Qual será a tendência futura e o destino do mercado de armazenamento?

Memória ferroelétrica FeRAM, com problemas?

Em 28 de julho de 2022, 7 anos após o lançamento da tecnologia de memória 3D XPoint, a Intel anunciou que encerraria seu negócio de memória Optane. Para a indústria de armazenamento, esta notícia pode não ser uma surpresa. Como o primeiro produto comercial de memória não volátil da Intel, o progresso dos negócios da Optane não é tranquilo e sua produção nunca atingirá um nível em que os preços dos chips sejam razoáveis.

Portanto, Aoteng não pode escapar do fracasso.

FeRAM é outra nova tecnologia candidata à memória. Durante anos, a indústria de memória vem desenvolvendo FeRAM e outras tecnologias de memória de próxima geração destinadas a preencher as limitações e lacunas tecnológicas da memória tradicional.

FeRAM, o nome completo é RAM Ferroelétrica (memória de acesso aleatório ferroelétrica), também conhecida como memória ferroelétrica. FeRAM usa materiais de cristal ferroelétrico como meio de armazenamento e utiliza as características do loop de histerese característico na relação entre tensão e corrente de materiais de cristal ferroelétrico para obter armazenamento de informações.

Diagrama de estrutura FeRAM

Os produtos FeRAM combinam as características de armazenamento de dados não voláteis da ROM com as vantagens de leitura e gravação ilimitadas, leitura e gravação em alta velocidade e baixo consumo de energia da RAM.

FeRAM possui as seguintes características técnicas:

Não volátil:A característica mais notável do FeRAM é que seus dados não serão perdidos após falha de energia e é uma memória não volátil;

Leitura e escrita em alta velocidade:FeRAM tem velocidades de leitura e gravação relativamente rápidas, com tempos de acesso geralmente em torno de 50ns e tempos de ciclo em torno de 75ns, o que o torna vantajoso em situações onde é necessário acesso rápido aos dados;

Longa vida:FeRAM tem alta resistência de leitura e gravação, normalmente capaz de atingir bilhões de ciclos de leitura e gravação, excedendo em muito a EEPROM tradicional e a memória flash;

Baixo consumo de energia:Como o FeRAM não requer energia adicional para manter o estado dos dados ao armazenar dados, o consumo de energia é relativamente baixo;

Alta confiabilidade:Compatível com processo CMOS, ampla faixa de temperatura operacional, alta confiabilidade.

FeRAM tem baixa densidade de armazenamento e capacidade limitada, embora não possa substituir completamente DRAM e NAND Flash, mas tem potencial de desenvolvimento em cenários que não exigem alta capacidade, alta velocidade e frequência de leitura e gravação e longa vida útil. relógios, campos de eletrônicos de consumo, como cartões inteligentes e dispositivos IoT, bem como automóveis e robôs industriais.

Olhando para trás na história do desenvolvimento, os cientistas propuseram o conceito de materiais ferroelétricos já em 1920, um estudante de mestrado do Instituto de Tecnologia de Massachusetts propôs pela primeira vez o conceito de uso de capacitores ferroelétricos como elementos de armazenamento de dados em um artigo; a empresa americana Ramtron (adquirida pela Cypress) começou a produzir produtos FeRAM de baixo nível com estrutura 2T/2C em 1993, a Ramtron desenvolveu o primeiro produto FeRAM de 4Kb produzido em massa do mundo em 1996, a Hitachi desenvolveu FeRAM de 256kb e lançou-o em dezembro; do mesmo ano listado.

Desde então, o desenvolvimento e aplicação do FeRAM abriu um novo capítulo.

FeRAM, o progresso é lento?

Atualmente, os principais players do mercado FeRAM incluem Infineon (adquirida Cypress), Fujitsu, Texas Instruments, IBM e Micron, etc. Essas empresas fornecem múltiplas soluções para aplicações como medidores inteligentes, sistemas automotivos, dispositivos vestíveis e dispositivos de memória ferroelétrica. .

A Fujitsu possui produtos de memória ferroelétrica de alta velocidade para aplicações automotivas e industriais e os fornece ao mercado industrial há mais de 20 anos; a Texas Instruments fornece microcontroladores baseados em FeRAM para dispositivos IoT e wearables; A Infineon se concentra em fornecer soluções de memória ferroelétrica para sistemas de controle automotivo e industrial.

Em dezembro de 2023, a Micron divulgou seus resultados de pesquisa e desenvolvimento de NVDRAM 3D de 32 Gb na conferência IEEE IEDM, que é muito maior do que os produtos anteriores de 8 Mb da Fujitsu e SK Hynix, bem como os produtos de 16 Mb da Infineon e 128 Mb da Toshiba.

É relatado que a memória NVDRAM é baseada no princípio da ferroeletricidade e pode atingir alta durabilidade e baixa latência próxima à DRAM, ao mesmo tempo em que possui não volatilidade semelhante à memória flash NAND. Essa memória emergente usa empilhamento 3D de camada dupla e sua densidade de capacidade de 32 Gb estabelece um novo recorde para memória ferroelétrica. A Micron testou amostras de NVDRAM com base na especificação LPDDR5 e acredita que ela é adequada para cargas de IA, mas o tempo de produção em massa é desconhecido.

Já em março de 2021, a Micron disse quando se retirou do mercado Optane 3D XPoint: "A Micron planeja aplicar o conhecimento adquirido com os avanços no programa 3D XPoint, bem como conhecimentos e recursos de engenharia relacionados, para soluções centradas em memória. produtos emergentes direcionados à camada de armazenamento de memória, o FeRAM pode ter sido o alvo.”

Além disso, a Jita Semiconductor também uniu forças com a Wuxi Shunming Storage Technology Priority Company, um fornecedor doméstico emergente de memória ferroelétrica, para lançar o primeiro produto doméstico de memória ferroelétrica emergente de 110 nm em dezembro de 2023. Em comparação com a tecnologia existente, a nova área de produtos é menor Sobre 40%~60%, o desempenho foi bastante melhorado e está planejado para ser oficialmente produzido em massa no primeiro trimestre de 2024.

Tecnologia emergente de processo de memória ferroelétrica da Jita Semiconductor

Com seus muitos recursos, espera-se que FeRAM se torne uma das futuras direções de desenvolvimento de memória.

No entanto, o seu desenvolvimento também enfrenta alguns desafios: primeiro, o rendimento do FeRAM é afetado pela limitação do tamanho do array e precisa ser melhorado ainda mais, o FeRAM pode sofrer degradação da durabilidade após atingir um certo número de ciclos de leitura, o que requer o uso; da ciência dos materiais e do avanço dos processos de fabricação; além disso, o custo de fabricação da FeRAM é relativamente alto e precisa ser reduzido com a expansão da escala de produção e o progresso tecnológico.

Alguns membros da indústria acreditam que FeRAM e Optane estão no mesmo dilema - não há maneira viável de alcançar a produção em massa e, assim, reduzir o custo de cada chip a um nível acessível, e o progresso é atualmente lento.

A Micron disse que se o mercado for atraente o suficiente, a Micron poderá produzir produtos NVDRAM para venda, mas somente se perceber que o retorno de capital da tecnologia será maior do que investir em NAND ou DRAM.

Esta é uma grande demanda para o nicho de mercado de memória embarcada.

Se grandes fabricantes de armazenamento como Micron, SK Hynix e Samsung não adotarem a memória FeRAM em grande escala, ainda haverá um longo caminho a percorrer para as startups desenvolverem e provarem a tecnologia de seus produtos por meio da cooperação com fundições. Até que essas circunstâncias ocorram, a FeRAM só poderá permanecer nos laboratórios de pesquisa dos institutos de tecnologia e não poderá ser comercializada em larga escala.

A memória emergente ReRAM está se tornando popular

Comparados com FeRAM, os dispositivos ReRAM têm sido desenvolvidos e comercializados de forma ativa, contínua e com sucesso. Automotivo, IoT e outras aplicações estão entre os impulsionadores de crescimento da ReRAM.

ReRAM, o nome completo é Memória de acesso aleatório resistiva (memória de acesso aleatório resistiva), conhecida como memória de comutação resistiva ou RRAM.

ReRAM é uma memória não volátil baseada na resistência de materiais não condutores que pode ser convertida reversivelmente entre um estado de alta resistência e um estado de baixa resistência sob a ação de um campo elétrico externo. Como a tecnologia de armazenamento mais simples, a estrutura ReRAM parece um sanduíche. Uma camada dielétrica isolante (camada de comutação resistiva) é imprensada entre duas camadas de metal, formando uma camada metal-dielétrica composta por eletrodos superiores e inferiores e uma camada de comutação resistiva. . (MIM) estrutura de três camadas.

O filamento condutor apresenta dois estados ligado ou desligado na camada resistiva: um estado não volátil de baixa resistência ou um estado de alta resistência, realizando assim a distinção e armazenamento dos estados “0” e “1”.

ReRAM inclui muitas categorias de tecnologia diferentes. As principais rotas de tecnologia atuais incluem principalmente: memória de vacância de oxigênio OxRAM, memória de ponte condutora CBRAM, memória de íon metálico MeRAM e nanotubo de carbono CaRAM, geralmente movendo elementos condutores, como íons metálicos ou vacâncias de oxigênio, para pontes, ou. removendo-os das pontes existentes, para representar 1 ou 0.

Recursos da tecnologia ReRAM:

Alta velocidade:A velocidade de apagamento e gravação de ReRAM é determinada pela largura do pulso que aciona a mudança de resistência, que geralmente é inferior a 100ns;

Durabilidade forte:A leitura e gravação ReRAM é diferente do NAND porque adota um modo reversível e livre de danos, o que pode prolongar bastante sua vida útil;

Capacidade de armazenamento multibit:Alguns materiais ReRAM também possuem vários estados de resistência, possibilitando que uma única célula de memória armazene vários bits de dados, aumentando assim a densidade de armazenamento;

ReRAM combina a velocidade de leitura e gravação da DRAM com a não volatilidade da NAND Quando medida de forma abrangente em termos de densidade, índice de eficiência energética, custo, processo e rendimento, a memória ReRAM tem vantagens óbvias sobre as memórias emergentes existentes.

Com múltiplas vantagens, a ReRAM está agora sendo integrada em cada vez mais processos como memória não volátil incorporada (NVM), de 130nm a 22nm e abaixo, e é usada em carros inteligentes, IA de ponta, MCU, PMIC, etc. Possui características de baixo consumo de energia, baixo custo, endereçamento de bytes, escalabilidade para nós avançados e forte adaptabilidade a diversas condições ambientais.

Além disso, a computação inspirada no cérebro baseada em ReRAM também pode romper o gargalo da arquitetura de computação von Neumann no médio e longo prazo e é considerada uma das melhores opções para alcançar a integração de armazenamento e computação.

Nessas áreas, os requisitos rápidos de processamento e armazenamento de dados são críticos.

A corrida para criar tecnologia ReRAM altamente integrada, com eficiência energética e orientada para o desempenho traz desenvolvimentos interessantes para futuras soluções de memória para uma variedade de aplicações. Por exemplo, em carros sem condutor ou robôs industriais inteligentes, a ReRAM, com o seu baixo consumo de energia e durabilidade, pode lidar com operações de dados complexas com baixo consumo de energia e garantir a persistência e fiabilidade dos dados. Essas características dão à ReRAM amplas perspectivas de aplicação no futuro mercado de IA de ponta.

ReRAM, progresso de comercialização acelerado

Na verdade, ReRAM não é um conceito novo. Começou a receber atenção já nas décadas de 1960 e 1970.

Do ponto de vista da indústria, Panasonic, Renesas, Western Digital, Fujitsu, Samsung, Sony, Adesto e Crossbar são os principais fabricantes na área de ReRAM. Em termos de fundições, SMIC, TSMC, UMC, GlobalFoundries, etc. estão desenvolvendo ou fornecendo processos ReRAM para clientes de fundição.

Sua trajetória de desenvolvimento é aproximadamente a seguinte: em 2013, Panasonic e Adesto lançaram produtos ReRAM com processos de 180nm e 130nm, respectivamente, em 2015, Fujitsu e Panasonic lançaram conjuntamente um chip ReRAM de 4Mb de capacidade em 2017, Crossbar e SMIC lançaram um chip de 40nm com capacidade de 8Mb; E com base nisso, entrou no mercado ReRAM em 2018, Adesto lançou novos produtos com processo de 130nm, Crossbar e Microsemi lançaram eReRAM de 28nm e Fujitsu lançou o chip ReRAM MB85AS8MT de 8Mb, expandindo ainda mais o mercado; , Intel lançou produtos eReRAM usando o processo 22FFL, desde então até 2024, muitas empresas lançaram vários produtos ReRAM de 40 nm, continuando a avançar na tecnologia ReRAM;

Em julho deste ano, o fabricante nacional de painéis principais Visionox concluiu o desenvolvimento e certificação do primeiro chip driver de display AMOLED do mundo usando tecnologia de armazenamento ReRAM incorporada.

Segundo relatos, este é o primeiro chip driver de vídeo usando tecnologia de armazenamento RRAM incorporada em AMOLED. Comparado com o chip de driver de vídeo tradicional existente que usa uma solução SRAM + Flash externa integrada para alcançar a função de compensação Demura, este novo chip de driver remove diretamente o chip Flash externo tradicional, resolvendo efetivamente os problemas de alto custo de dispositivo externo e parâmetro de compensação leitura que existe em chips tradicionais Ele supera problemas como velocidade lenta e traz vantagens como menor custo, área menor e maior eficiência. É um avanço importante na tecnologia de chip de driver de display AMOLED.

Em maio, a empresa de análise TechInsights informou que o mais recente chip de memória de comutação resistiva incorporada (eRRAM) 22ULL ​​da TSMC fez progressos importantes na tecnologia de armazenamento. O chip é usado nos novos chips de sistema da série nRF54L da Nordic Semiconductor, tornando-se uma parte sem fio de baixa potência. a solução IoT, este é o produto eRRAM de segunda geração da TSMC, que apresenta a primeira tecnologia CMOS de 22 nm do setor e é considerado comparável ao STT-MRAM incorporado.

Em março, a Xinyuan Semiconductor investida pela ByteDance também é uma empresa com foco na pesquisa e desenvolvimento de tecnologia de armazenamento emergente ReRAM e chips relacionados, cobrindo controle industrial de alto desempenho, chips SoC/ASIC automotivos, IP e chips integrados de armazenamento e computação (CIM). e chips de armazenamento de nível de sistemas (SoM) e outras áreas de aplicação.

É relatado que a Xinyuan Semiconductor dominou a tecnologia integrada de circuito fechado, cobrindo materiais de dispositivos, processos de processo, design de chips, design de IP e produção piloto em massa, e construiu a primeira linha de produção back-end piloto ReRAM de 12 polegadas de processo avançado no continente A China lançou a série "Xin·Shanwen" de produtos de armazenamento seguro ReRAM e alcançou a produção comercial em massa na área de controle de automação industrial.

Em agosto de 2023, a equipe do Acadêmico Liu Ming do Instituto de Microeletrônica da Academia Chinesa de Ciências propôs uma estrutura emergente de computação em memória RRAM com alto paralelismo e alta taxa de desempenho. No nível do dispositivo, a equipe propôs uma estrutura de matriz de armazenamento e cálculo com um memristor ponderado de dois transistores (WH-2T1R), que reduz o impacto dos efeitos parasitas na corrente de cálculo e reduz o consumo de energia das operações de acumulação múltipla. No nível do circuito, é proposto um circuito de leitura de amplificador de detecção de modo de corrente com redução de corrente de referência, o que reduz significativamente o consumo de energia do circuito de leitura. No nível de mapeamento de algoritmo, a equipe propôs uma estratégia de mapeamento de redundância de dados de alto bit (MSB_RSM) para melhorar a precisão do cálculo. Essas soluções foram verificadas no processo incorporado de 28 nm desenvolvido de forma independente pela equipe. A eficiência energética média da estrutura de computação na memória RRAM na tarefa ResNet-18 atinge 30,34TOPS/W e pode ser aumentada para 154,04TOPS/W em. otimizando o tempo de leitura. Os resultados da pesquisa foram publicados no "IEEE Journal of Solid-State Circuits".

Em agosto de 2023, a Houmo Intelligent anunciou a conclusão dos testes e desenvolvimento do cenário de aplicação do primeiro chip de memória RRAM de grande capacidade disponível comercialmente.

Há também a Yizhu Technology, que se concentra no desenvolvimento de armazenamento totalmente digital e computação integrada com IA de grandes chips de poder de computação baseados em ReRAM. Em 2023, a Yi Zhu Technology desenvolveu com sucesso o primeiro chip POC de alta precisão e baixo consumo de energia e cálculo integrado de IA de grande poder de computação baseado em memristor RRAM (ReRAM). instituições partidárias com excelente desempenho de eficiência energética Mais de 10 vezes mais do que chips de IA de arquitetura tradicional.

Além disso, Weebit Nano, uma joint venture franco-israelense fundada em 2015, também se concentra na tecnologia de memória ReRAM há muitos anos.

Weebit Nano fez parceria com a fundição de semicondutores CMOS Skywater para fornecer seus módulos ReRAM aos clientes Skywater e produziu um chip de demonstração totalmente funcional.

No Flash Memory Summit em agosto de 2023, Amir Regev, vice-presidente de qualidade e confiabilidade do Weebit Nano, apresentou as tendências de desenvolvimento do mercado de ReRAM integrado e o progresso tecnológico e as conquistas do Weebit Nano neste campo. Ele observou que o mercado emergente de memória não volátil (NVM) deverá atingir US$ 2,7 bilhões até 2028, com a ReRAM sendo responsável por 37% do mercado, especialmente em aplicativos incorporados, à medida que as remessas de MCU crescem. A ReRAM ocupará 60% do mercado. o volume da bolacha.

Atualmente, Weebit implementa um modelo de operação comercial licenciando IP para empresas e fábricas de semicondutores. Sua tecnologia ReRAM foi verificada no nó de processo de 28-130nm e concluída com sucesso na plataforma 22FDX da GlobalFoundries, que está planejada para começar em 2024. produção.

Os módulos ReRAM da Weebit fabricados na SkyWater concluíram as principais qualificações, marcando um marco importante na maturidade da tecnologia ReRAM.

Weebit Nano disse que a memória emergente ReRAM está se tornando popular.

Além dos campos aplicáveis ​​acima, a computação neuromórfica é outro campo de aplicação potencial do ReRAM.

Algumas empresas, como Facebook e Google, desenvolveram sistemas de aprendizado de máquina que utilizam redes neurais. As redes neurais ajudam os sistemas, muitos dos quais usam FPGAs e GPUs com memória baseada em SRAM, a processar dados e reconhecer padrões. A indústria de memória está desenvolvendo ReRAM para esta área, que é muito mais densa que as arquiteturas GPU/SRAM.

Mas os sistemas neuromórficos requerem vários dispositivos ReRAM empilhados em cascata. Antes que a ReRAM possa entrar no mercado, a indústria de memória deve primeiro dominar a ReRAM em pequena escala.

À medida que a Lei de Moore desacelera gradualmente, torna-se cada vez mais importante encontrar tecnologias de armazenamento eficientes que possam atender às necessidades da computação da próxima geração. Neste contexto, ReRAM tem demonstrado grande potencial.

Embora a tecnologia ReRAM seja promissora como solução de memória de próxima geração, ela ainda enfrenta certos desafios que dificultam sua adoção generalizada. O primeiro é o problema do “caminho furtivo”, que causa vazamento de corrente e pode levar a leituras errôneas da memória; segundo, existem preocupações sobre a formação e estabilidade de vagas de oxigênio, que são críticas para o mecanismo de comutação resistivo no qual o ReRAM depende; Além disso, a criação de um campo elétrico uniforme dentro da célula de memória para uma comutação confiável também é um obstáculo ao projeto. Novamente, embora a ReRAM ofereça eficiência energética em comparação com memórias tradicionais, como a memória flash, aprimorar esse atributo para atender às necessidades de aplicações de consumo de energia ultrabaixo é um obstáculo técnico.

No curto prazo, a ReRAM não substituirá a NAND ou outra memória convencional, mas encontrará o seu lugar, especialmente em sistemas embarcados e outras áreas que exigem alto desempenho, baixo consumo de energia, miniaturização e soluções de armazenamento de alta densidade.

MRAM se destaca

Além de FeRAM e ReRAM, outras tecnologias emergentes de memória, como MRAM e PCM, também têm sido amplamente discutidas. Cada uma dessas tecnologias tem suas próprias vantagens e cenários de aplicação exclusivos, mas também enfrenta seus próprios desafios.

Num cenário tecnológico em constante evolução, certas inovações destacam-se pelo seu potencial para remodelar indústrias e redefinir padrões de desempenho. A memória de acesso aleatório magnetorresistiva (MRAM) é um grande avanço.

MRAM, RAM magnética, também conhecida como memória magnética, é uma tecnologia baseada no efeito de magnetorresistência de tunelamento.

MRAM usa junções de túnel magnético (MTJs) como unidade básica de memória. Cada MTJ é composto por duas camadas de materiais magnéticos imprensadas por uma fina camada isolante. Dependendo da consistência das direções de magnetização das duas camadas de materiais magnéticos, o MTJ mostra diferentes valores de resistência para armazenar informações. MRAM combina o desempenho de leitura e gravação de alta velocidade da DRAM com as características não voláteis da SRAM. Ele também tem as vantagens de baixo consumo de energia, alta durabilidade, ampla faixa de temperatura operacional e ciclos de apagamento e gravação quase ilimitados.

Diagrama esquemático MRAM

Características técnicas da MRAM:

Não volátil:O magnetismo dos ferromagnetos não desaparecerá devido à queda de energia e o MRAM não é volátil;

Tempos ilimitados de leitura e escrita:O magnetismo dos ferromagnetos não apenas não desaparece quando a energia é desligada, mas é quase considerado que nunca desaparece. Portanto, MRAM e DRAM podem ser reescritos indefinidamente;

Velocidade de gravação rápida e baixo consumo de energia:O tempo de gravação da MRAM pode ser tão baixo quanto 2,3ns e o consumo de energia é extremamente baixo, o que pode ligar e desligar instantaneamente e prolongar a vida útil da bateria de computadores portáteis;

Alta integração com chips lógicos:Unidades MRAM podem ser facilmente incorporadas em chips de circuito lógico, e apenas uma ou duas etapas que requerem uma máscara de fotolitografia são adicionadas ao processo de metalização de back-end. Além disso, as células MRAM podem ser completamente fabricadas na camada metálica do chip e até 2-3 camadas de células podem ser empilhadas, de modo que tem potencial para construir matrizes de memória em larga escala em circuitos lógicos.

A pesquisa da MRAM se concentra em melhorar a densidade de armazenamento, reduzir a energia de gravação, aumentar as velocidades de leitura e gravação e melhorar a compatibilidade e a eficiência de custos do processo de fabricação. O STT-MRAM tornou-se um ponto importante de pesquisa devido à sua menor corrente de gravação e melhor escalabilidade, enquanto o SOT-MRAM atraiu a atenção devido ao seu potencial para atingir menor consumo de energia e velocidades de comutação mais rápidas.

MRAM é uma memória não volátil que é mais rápida, mais durável e consome menos energia do que as tecnologias tradicionais, e está ganhando espaço em uma variedade de indústrias, incluindo automotiva, industrial, wearables, aeroespacial e defesa.

Normalmente, os pedidos de patente são um sinal claro de que uma tecnologia está a receber muita atenção – quanto mais relevante for uma tecnologia para aplicações comerciais, maior será o número de pedidos de patente.

De acordo com as estatísticas da LexisNexis, o número de pedidos de patentes no mercado de MRAM permaneceu estável de 2004 a 2013, com aproximadamente 300 a 400 pedidos de patentes por ano. Houve um pico em 2011. Uma investigação mais aprofundada revelou que a Toshiba aumentou os seus pedidos de patentes nesta área tecnológica em 2011, levando a este aumento.

Tendências de registro de patentes e publicações do IEEE na área de MRAM nos últimos 20 anos

Vale ressaltar que a queda no final do gráfico não representa queda no interesse, mas sim a defasagem entre o depósito da patente e a publicação.

Entende-se que tendo em conta o tamanho do portfólio de patentes, a LexisNexis dividiu as 10 maiores empresas em três categorias:

Proprietários de fortes portfólios de patentes: Samsung, Kioxia e TSMC;

Seguidores: TDK e IBM;

outras empresas.

Qualidade das 10 maiores empresas na área de MRAM por força do portfólio de patentes

MRAM, potencial comercial destacado

Olhando para trás, para a história de desenvolvimento da MRAM, já em 2002, a TSMC assinou um plano de desenvolvimento de cooperação MRAM com o Instituto de Pesquisa Industrial de Taiwan.

O primeiro MRAM comercializado foi o Toggle-MRAM de 4 MB produzido pela Freescale Semiconductor em 2006 e Cobham e outras empresas também lançaram produtos relacionados em 2014 que substituiria SRAM por STT-MRAM, tornando o microprocessamento o consumo de energia do cache; o dispositivo foi reduzido em quase 60% em 2017, a Universidade de Aeronáutica e Astronáutica de Pequim e o Instituto de Microeletrônica da Academia Chinesa de Ciências prepararam em conjunto com sucesso o primeiro dispositivo STT-MRAM de 80 nanômetros do país.

Em junho de 2023, o Grupo de Pesquisa de Materiais e Dispositivos Spin Quantum do Laboratório de Materiais do Lago Songshan de Shenzhen colaborou com a Universidade da Califórnia, Los Angeles, a Universidade de Ciência e Tecnologia King Abdullah, a Universidade de Ciência e Tecnologia Eletrônica da China e o Instituto de Física, Academia Chinesa de Ciências, para realizar um dispositivo de memória SOT-MRAM baseado em isolante topológico que combina alta densidade de armazenamento com junção de túnel de anisotropia magnética perpendicular (pMTJ). A TSMC desenvolveu linhas de produtos MRAM relacionadas, como processo 16/12nm.

Também em 2023, a NXP colaborou com a TSMC para desenvolver em conjunto o primeiro MRAM incorporado FinFET automotivo de 16 nanômetros do setor para suportar a próxima geração de arquitetura automotiva. Esta colaboração destaca a crescente importância da MRAM no setor automóvel, com o objetivo de melhorar o desempenho e a fiabilidade de aplicações automóveis avançadas.

Em 18 de janeiro deste ano, a TSMC e o Instituto de Pesquisa Industrial anunciaram o desenvolvimento bem-sucedido de chips de matriz SOT-MRAM, marcando um grande avanço no campo da tecnologia de memória MRAM de próxima geração. Este produto inovador não utiliza apenas uma arquitetura de computação avançada, mas seu consumo de energia é de apenas 1% da tecnologia similar STT-MRAM.

Além disso, a TSMC está explorando ativamente SOT-MRAM e VC-MRAM e colaborando com laboratórios de pesquisa externos, consórcios e parceiros acadêmicos.

As 10 principais empresas com maturidade em inovação na área de MRAM

Quase ao mesmo tempo que a TSMC, a Samsung anunciou seu plano de desenvolvimento de MRAM em 2002. Em 2005, a Samsung assumiu a liderança na pesquisa e desenvolvimento de STT-MRAM. Mais tarde, esta tecnologia provou ser capaz de atender aos requisitos de desempenho do cache de último nível no campo da computação de alto desempenho e foi considerada uma ferramenta poderosa para. romper o nicho de mercado.

No início de 2022, a Samsung Electronics publicou a primeira pesquisa mundial de computação em memória baseada em MRAM na importante revista acadêmica Nature. Na SFF 2023 na Europa, a Samsung anunciou a sua visão para revolucionar a tecnologia automóvel de próxima geração e planeia desenvolver a primeira eMRAM de 5 nm da Samsung. Além de lançar eMRAM de 14 nm até 2024, a empresa também planeja expandir ainda mais seu portfólio de produtos eMRAM com 8 nm até 2026 e 5 nm até 2027. Comparado com o processo de 14 nm, espera-se que a eMRAM de 8 nm aumente a densidade em 30% e a velocidade em 33%.

Entre todas estas tecnologias de memória emergentes, a MRAM é uma das tecnologias com maior potencial comercial.

Embora a memória MRAM tenha as vantagens de durabilidade e produção em massa, a MRAM também enfrenta muitos desafios, como o complexo sistema de materiais do dispositivo real, a baixa taxa de comutação e o processo CMOS deve ser totalmente compatível. Além disso, o desenvolvimento da MRAM ainda encontra gargalos no consumo dinâmico de energia, na eficiência e na confiabilidade do atraso de energia.

De modo geral, a MRAM ainda está longe de ser uma tecnologia madura e sua vantagem de custo ainda não foi destacada. Além disso, outras tecnologias de armazenamento emergentes também estão em desenvolvimento. Só podemos dizer que a MRAM é a mais promissora agora. DRAM ou NAND, MRAM ainda tem um longo caminho a percorrer.

PCM, abrindo um novo paradigma de computação

PCM, RAM de mudança de fase, também conhecida como memória de mudança de fase ou PCRAM.

O princípio do PCM é converter o material de mudança de fase entre um estado cristalino (condutor) de baixa resistência e um estado amorfo (não condutor) de alta resistência alterando a temperatura e usar a diferença de condutividade entre os dois estados para distinguir " 0 e 1". Isso permite o armazenamento de dados.

Diagrama esquemático PCM

PCM possui a não volatilidade do NAND e a alta velocidade de leitura e gravação e longa vida útil da DRAM. Ele também possui as vantagens de baixa latência, alta densidade, baixo consumo de energia e compatibilidade com tecnologia CMOS. memória e memória principal Espera-se que a possibilidade de dois em um seja aplicada em data centers de alto desempenho, servidores, Internet das Coisas e outros cenários no futuro.

Características técnicas do PCM:

Baixa latência, tempos de leitura e gravação equilibrados:O PCM não precisa apagar o código ou dados anteriores antes de escrever o código de atualização, portanto, a velocidade de leitura e gravação do PCM é melhorada em comparação com o NAND Flash, e o tempo de leitura e gravação é mais equilibrado;

Longa vida:A leitura e gravação PCM não são destrutivas, portanto, sua resistência à gravação excede em muito a da memória flash. O uso de PCM para substituir discos rígidos mecânicos tradicionais tem maior confiabilidade;

Baixo consumo de energia:O PCM não possui um dispositivo giratório mecânico e não requer corrente de atualização para salvar código ou dados, portanto, o consumo de energia do PCM é menor que HDD, NAND e DRAM;

Alta densidade:Alguns PCMs adotam designs sem transistores para obter armazenamento de alta densidade;

Boa resistência à radiação:A tecnologia de armazenamento PCM não tem nada a ver com o estado das partículas carregadas no material, por isso tem forte resistência à radiação espacial e pode atender às necessidades da defesa nacional e aeroespacial.

Atualmente, nenhum limite físico claro foi encontrado para o PCM. A pesquisa mostra que mesmo que o material de mudança de fase seja reduzido a uma espessura de 2 nm, o dispositivo de memória ainda pode sofrer mudança de fase. Portanto, o PCM pode resolver o problema do limite físico da tecnologia de memória e se tornar um dos dispositivos de memória semicondutores de nova geração que será universal no futuro.

Em 2006, a Intel colaborou com a Samsung para produzir o primeiro chip PCM comercial. Em 2015, a Intel e a Micron desenvolveram em conjunto um revolucionário chip de memória PCM - 3D Xpoint. A primeira chamou a tecnologia de Optane, e a última a chamou de QuantX.

A tecnologia 3D Xpoint alcançou um avanço revolucionário no campo da memória não volátil. Embora sua velocidade seja um pouco mais lenta que a DRAM, sua capacidade é maior que a DRAM e 1.000 vezes mais rápida que a memória flash.

Mas suas deficiências também são óbvias. O 3D Xpoint adota uma estrutura de empilhamento. Porque quanto mais camadas são empilhadas, mais máscaras são necessárias e, em toda a indústria de fabricação de IC, as máscaras representam o maior custo. Portanto, do ponto de vista da fabricação, é muito difícil conseguir uma estrutura empilhada 3D com dezenas de camadas.

Com o encerramento do negócio de memória Optane da Intel, a tecnologia de memória 3D XPoint também chegou ao fim.

No entanto, a indústria ainda está desenvolvendo a tecnologia PCM. No início de 2022, o Instituto de Materiais e Dispositivos de Armazenamento de Informação (ISMD) da Escola de Circuitos Integrados da Universidade de Ciência e Tecnologia Huazhong e o Centro de Inovação e Design de Materiais (CAID) da Universidade Xi'an Jiaotong desenvolveram uma memória de mudança de fase com estrutura de malha amorfa, com consumo de energia de 0,05 abaixo de pJ, o consumo de energia é mil vezes menor que o dos produtos convencionais.

Em abril deste ano, a Academia Coreana de Ciência e Tecnologia anunciou que uma equipe de pesquisa liderada pelo professor Shinhyun Choi da Escola de Engenharia Elétrica desenvolveu um dispositivo de memória de mudança de fase de próxima geração. Os resultados relevantes foram publicados na revista Nature. . O título do artigo é: "Memória de mudança de fase por meio de um nanofilamento autoconfinado com mudança de fase".

O artigo apresenta um novo dispositivo PCM que usa nanofios SiTex de fase mutável para reduzir efetivamente a corrente de reinicialização do PCM. Este design inovador pode reduzir significativamente a corrente de reinicialização sem sacrificar os custos de fabricação. Especificamente, o nanofilamento PCM desenvolvido exibe uma corrente de reinicialização ultrabaixa de aproximadamente 10 μA, que é uma a duas ordens de magnitude menor que os PCMs convencionais altamente escaláveis.

Este avanço na tecnologia PCM marca um passo importante para a indústria na abertura de um novo paradigma de computação, especialmente aquelas aplicações que podem beneficiar das características únicas do PCM.

Embora o PCM tenha muitas vantagens, também existem algumas deficiências óbvias. Atualmente, o PCM tem muitos gargalos de aplicação, resultando em comercialização estagnada. Primeiro, porque o processo de armazenamento PCM depende da regulação da temperatura e é altamente sensível à temperatura, não pode ser aplicado a cenários amplos de temperatura. Em segundo lugar, a memória PCM adota uma estrutura multicamadas para ser compatível com o processo CMOS, resultando em uma densidade de armazenamento muito baixa para atender aos requisitos de capacidade para substituir o NAND Flash. Além disso, o custo e o rendimento também se tornaram um dos gargalos para a sua industrialização em larga escala.

escreva no final

Durante anos, a indústria de memória tem procurado uma nova tecnologia de armazenamento.Quer se trate de FeRAM, ReRAM, MRAM ou PCM, todos eles visam resolver os problemas de "parede de desempenho" e "parede de armazenamento" do armazenamento tradicional até certo ponto, quebrar a arquitetura von Neumann e eliminar os atrasos e atrasos causados ​​pelos dados acesso ao consumo de energia para alcançar maior poder de computação e índice de eficiência energética, mas as características técnicas específicas e os níveis de comercialização dos quatro sistemas de armazenamento emergentes são diferentes.

Comparação entre a tecnologia de armazenamento convencional e a tecnologia de armazenamento emergente

Com base na análise de vários tipos de características técnicas e status de mercado, essas tecnologias emergentes atualmente não têm a capacidade de substituir a memória flash DRAM/NAND. No entanto, na era do crescimento explosivo de dados, o armazenamento emergente tem forte desempenho, longa vida, Espera-se que excelentes características como confiabilidade e resistência a altas temperaturas preencham a lacuna no mercado de memória e se tornem uma nova escolha no campo de memória.

Conforme mencionado no início do artigo, foram expostas as deficiências da inovação tecnológica contínua no caminho tradicional atual. O mercado necessita urgentemente de produtos de memória que possam atender às necessidades de novos cenários, e o armazenamento emergente tem uma janela de oportunidade. .

No entanto, precisamos estar atentos para que, no processo de desenvolvimento do armazenamento emergente, a indústria de memória continue a estender a memória flash DRAM e NAND, dificultando a ocupação de novos tipos de memória no mercado.

Olhando para o futuro, alguns especialistas do setor dizem que nenhum tipo de memória é onipotente e pode lidar com todos os aplicativos. Cada tecnologia tem propriedades diferentes e é boa para executar funções diferentes. Espera-se que estas tecnologias avançadas de armazenamento sejam as primeiras a serem utilizadas em aplicações que possam refletir e explorar as suas vantagens únicas.