новости

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

С 1970-х годов DRAM вышла на коммерческий рынок и стала крупнейшим отраслевым рынком в области хранения данных с чрезвычайно высокими скоростями чтения и записи. После появления функциональных телефонов рынок флэш-памяти NOR резко возрос в эпоху ПК. Емкость хранилища Спрос растет, и лучшим выбором стала недорогая флэш-память NAND высокой емкости.

Сегодня, с ростом волны искусственного интеллекта, HBM лидирует.

Технология хранения данных развивалась и менялась за последние 50 лет, и теперь она постепенно сформировала основные области DRAM, Flash и SRAM.

Однако, поскольку технология производства полупроводников продолжает двигаться в сторону меньших технологических узлов, новые сценарии применения выдвигают более высокие требования к хранению данных с точки зрения скорости, энергопотребления, емкости, надежности и т. д., а также недостатки продолжающихся технологических инноваций в традиционных системах хранения данных. С тех пор DRAM, NAND Flash и т. д. начали сталкиваться со все более серьезными проблемами. В сочетании с несоответствием скорости разработки между этими технологиями хранения и логическими вычислительными устройствами это серьезно ограничило дальнейшее улучшение вычислительной производительности. и энергоэффективность.

Поэтому отрасль начала возлагать большие надежды на новые технологии хранения данных, и быстро появляется все больше и больше новых технологий.

В настоящее время отрасль в основном сосредоточена на четырех типах новых типов памяти: сегнетоэлектрической памяти (FeRAM/FRAM), резистивной памяти (ReRAM/RRAM), магнитной памяти (MRAM) и памяти с фазовым изменением (PCM).Эти новые технологии памяти направлены на объединение скорости переключения SRAM и характеристик высокой плотности DRAM с энергонезависимыми характеристиками флэш-памяти.

Столкнувшись с конфликтом между старыми и новыми технологиями, сохранится ли текущая тенденция доминирования в отрасли DRAM и NAND? Или его заменят новые технологии памяти, такие как FeRAM, ReRAM, MRAM или PCM? Каковы будут тенденции и судьба рынка хранения данных в будущем?

Сегнетоэлектрическая память FeRAM в беде?

28 июля 2022 года, спустя 7 лет после запуска технологии памяти 3D XPoint, Intel объявила о закрытии своего бизнеса по производству памяти Optane. Для индустрии хранения данных эта новость не может стать неожиданностью. Поскольку Optane является первым коммерческим продуктом энергонезависимой памяти Intel, бизнес-прогресс Optane не был гладким, и ее объем производства никогда не достигнет уровня, при котором цены на чипы будут разумными.

Поэтому Аотенгу не избежать конца неудачи.

FeRAM — еще один новый кандидат на технологию памяти. В течение многих лет индустрия памяти разрабатывала FeRAM и другие технологии памяти следующего поколения, направленные на устранение технологических ограничений и пробелов в традиционной памяти.

FeRAM, полное название — Ferroelectric RAM (сегнетоэлектрическая оперативная память), также известная как сегнетоэлектрическая память. FeRAM использует сегнетоэлектрические кристаллические материалы в качестве носителей данных и использует характеристики характеристической петли гистерезиса во взаимосвязи между напряжением и током сегнетоэлектрических кристаллических материалов для хранения информации.

Структурная схема FeRAM

Продукты FeRAM сочетают в себе характеристики энергонезависимого хранения данных ПЗУ с преимуществами неограниченного чтения и записи, высокой скорости чтения и записи и низкого энергопотребления ОЗУ.

FeRAM имеет следующие технические характеристики:

Энергонезависимый:Наиболее примечательной особенностью FeRAM является то, что ее данные не будут потеряны после сбоя питания, и это энергонезависимая память;

Высокая скорость чтения и письма:FeRAM имеет относительно высокую скорость чтения и записи: время доступа обычно составляет около 50 нс, а время цикла — около 75 нс, что делает его выгодным в ситуациях, когда требуется быстрый доступ к данным;

Долгая жизнь:FeRAM обладает высокой стойкостью к чтению и записи, обычно способной достигать миллиардов циклов чтения и записи, что намного превышает традиционную EEPROM и флэш-память;

Низкое энергопотребление:Поскольку FeRAM не требует дополнительной мощности для поддержания состояния данных при хранении данных, энергопотребление относительно низкое;

Высокая надежность:Совместимость с КМОП-процессом, широкий диапазон рабочих температур, высокая надежность.

FeRAM имеет низкую плотность хранения и ограниченную емкость. Хотя он не может полностью заменить DRAM и NAND Flash, он имеет потенциал развития в сценариях, не требующих высокой емкости, высокой скорости и частоты чтения и записи, а также длительного срока службы. часы, бытовая электроника, такая как смарт-карты и устройства IoT, а также автомобили и промышленные роботы.

Оглядываясь назад на историю развития, ученые предложили концепцию сегнетоэлектрических материалов еще в 1920 году, а в 1991 году студент магистратуры Массачусетского технологического института впервые предложил концепцию использования сегнетоэлектрических конденсаторов в качестве элементов хранения данных; американская компания Ramtron (приобретенная Cypress) начала производить продукты FeRAM низкого уровня со структурой 2T/2C в 1993 году, Ramtron разработала первый в мире серийный продукт FeRAM емкостью 4 КБ в 1996 году, Hitachi разработала FeRAM емкостью 256 КБ и выпустила ее в декабре; того же года.

С тех пор разработка и применение FeRAM открыли новую главу.

FeRAM, прогресс медленный?

В настоящее время основными игроками на рынке FeRAM являются Infineon (приобретена Cypress), Fujitsu, Texas Instruments, IBM и Micron и т. д. Эти компании предлагают множество решений для таких приложений, как интеллектуальные счетчики, автомобильные системы, носимые устройства и сегнетоэлектрические устройства памяти. .

Fujitsu предлагает высокоскоростные сегнетоэлектрические продукты памяти для автомобильных и промышленных приложений и поставляет их на промышленный рынок уже более 20 лет. Texas Instruments предоставляет микроконтроллеры на базе FeRAM для устройств Интернета вещей и носимых устройств; IBM предоставляет серверные приложения. Предоставляет технологию сегнетоэлектрической памяти; Infineon специализируется на предоставлении сегнетоэлектрических решений памяти для автомобильных и промышленных систем управления.

В декабре 2023 года на конференции IEEE IEDM компания Micron представила результаты исследований и разработок 32-гигабайтной 3D NVDRAM, которые намного превосходят предыдущие 8-мегабайтные продукты Fujitsu и SK Hynix, а также 16-мегабайтные продукты Infineon и 128-мегабайтные продукты Toshiba.

Сообщается, что память NVDRAM основана на принципе сегнетоэлектричества и может достигать высокой долговечности и низкой задержки, близкой к DRAM, при этом обладая энергонезависимостью, аналогичной флэш-памяти NAND. В этой новой памяти используется двухслойное 3D-стекирование, а ее плотность емкости 32 Гб устанавливает новый рекорд для сегнетоэлектрической памяти. Micron протестировала образцы NVDRAM на основе спецификации LPDDR5 и считает, что она подходит для AI-нагрузок, однако сроки массового производства неизвестны.

Еще в марте 2021 года компания Micron заявила, когда ушла с рынка Optane 3D XPoint: «Micron планирует применить знания, полученные в результате прорывов в программе 3D XPoint, а также соответствующие инженерные знания и ресурсы для ориентированных на память систем. новых продуктов, ориентированных на уровень хранения памяти, возможно, целью была FeRAM».

Кроме того, Jita Semiconductor также объединила усилия с Wuxi Shunming Storage Technology Priority Company, новым отечественным поставщиком сегнетоэлектрической памяти, чтобы в декабре 2023 года выпустить первый отечественный новый продукт сегнетоэлектрической памяти, изготовленный по техпроцессу 110 нм. По сравнению с существующей технологией, область новой продукции меньше. 40%~60%, производительность значительно улучшена, и официальное массовое производство планируется начать в первом квартале 2024 года.

Новая технология сегнетоэлектрической памяти от Jita Semiconductor

Ожидается, что благодаря своим многочисленным функциям FeRAM станет одним из будущих направлений развития памяти.

Однако его разработка также сталкивается с некоторыми проблемами: во-первых, на производительность FeRAM влияет ограничение размера массива, и ее необходимо дополнительно улучшать, во-вторых, FeRAM может страдать от снижения долговечности после достижения определенного количества циклов чтения, что требует использования; материаловедения и совершенствования производственных процессов, кроме того, стоимость производства FeRAM относительно высока и ее необходимо снижать с расширением масштабов производства и технологическим прогрессом.

Некоторые представители отрасли полагают, что FeRAM и Optane столкнулись с одной и той же дилеммой: не существует реального способа добиться массового производства и тем самым снизить стоимость каждого чипа до доступного уровня, а прогресс в настоящее время идет медленно.

Micron заявила, что если рынок достаточно привлекателен, Micron может производить продукты NVDRAM для продажи, но только если она увидит, что рентабельность капитала от этой технологии будет выше, чем от инвестиций в NAND или DRAM.

Это очень большой запрос для нишевого рынка встроенной памяти.

Если крупные производители систем хранения данных, такие как Micron, SK Hynix и Samsung, не будут внедрять память FeRAM в больших масштабах, стартапам еще предстоит пройти долгий путь для разработки и проверки технологии своих продуктов посредством сотрудничества с литейными предприятиями. Пока эти обстоятельства не наступят, FeRAM может оставаться только в исследовательских лабораториях технологических институтов и не может быть коммерциализирован в больших масштабах.

Новая память ReRAM становится мейнстримом

По сравнению с FeRAM, устройства ReRAM активно, непрерывно и успешно разрабатываются и коммерциализируются. Автомобильная промышленность, Интернет вещей и другие приложения являются одними из драйверов роста ReRAM.

ReRAM, полное название — Resistive Random Access Memory (резистивная оперативная память), называемая резистивной переключаемой памятью или RRAM.

ReRAM — это энергонезависимая память, основанная на сопротивлении непроводящих материалов, которая может обратимо преобразовываться между состоянием с высоким сопротивлением и состоянием с низким сопротивлением под действием внешнего электрического поля. В качестве простейшей технологии хранения структура ReRAM выглядит как сэндвич. Изолирующий диэлектрический слой (резистивный переключающий слой) зажат между двумя слоями металла, образуя металл-диэлектрический слой-металл, состоящий из верхнего и нижнего электродов и резистивного переключающего слоя. .(MIM) трехслойная структура.

Проводящая нить имеет два состояния «включено» или «выключено» в резистивном слое: энергонезависимое состояние с низким сопротивлением или состояние с высоким сопротивлением, тем самым реализуя различие и сохранение состояний «0» и «1».

ReRAM включает множество различных категорий технологий. Текущие основные технологические направления в основном включают в себя: память на кислородных вакансиях OxRAM, память на проводящем мосту CBRAM, память на ионах металлов MeRAM и CaRAM на углеродных нанотрубках, обычно путем перемещения проводящих элементов, таких как ионы металлов или кислородные вакансии, в мосты или. удалив их из существующих мостов, чтобы они представляли 1 или 0.

Особенности технологии ReRAM:

Высокоскоростной:Скорость стирания и записи ReRAM определяется длительностью импульса, вызывающего изменение сопротивления, которое обычно составляет менее 100 нс;

Сильная долговечность:Чтение и запись ReRAM отличается от NAND тем, что использует обратимый и безопасный режим, что может значительно продлить срок ее службы;

Возможность многобитной памяти:Некоторые материалы ReRAM также имеют несколько состояний сопротивления, что позволяет одной ячейке памяти хранить несколько битов данных, тем самым увеличивая плотность хранения;

ReRAM сочетает в себе скорость чтения и записи DRAM с энергонезависимостью NAND. При всестороннем измерении с точки зрения плотности, коэффициента энергоэффективности, стоимости, процесса и производительности память ReRAM имеет очевидные преимущества перед существующими новыми запоминающими устройствами.

Обладая множеством преимуществ, ReRAM в настоящее время интегрируется во все больше и больше процессов в качестве встроенной энергонезависимой памяти (NVM), от 130 до 22 нм и ниже, и используется в интеллектуальных автомобилях, периферийных приложениях AI, MCU, PMIC и т. д. Он обладает характеристиками низкого энергопотребления, низкой стоимости, байтовой адресации, масштабируемости до продвинутых узлов и сильной адаптируемости к различным условиям окружающей среды.

Кроме того, интеллектуальные вычисления на основе ReRAM также могут преодолеть узкое место вычислительной архитектуры фон Неймана в среднесрочной и долгосрочной перспективе и считаются одним из лучших вариантов для достижения интеграции хранилища и вычислений.

В этих областях решающее значение имеют требования к быстрой обработке и хранению данных.

Гонка за создание высокоинтегрированной, энергоэффективной и ориентированной на производительность технологии ReRAM приводит к захватывающим разработкам в будущих решениях памяти для различных приложений. Например, в беспилотных автомобилях или интеллектуальных промышленных роботах ReRAM благодаря своему низкому энергопотреблению и долговечности может выполнять сложные операции с данными с низким энергопотреблением и обеспечивать постоянство и надежность данных. Эти характеристики открывают широкие перспективы применения ReRAM на будущем рынке периферийного искусственного интеллекта.

ReRAM, прогресс коммерциализации ускорился

На самом деле ReRAM — не новая концепция. На нее начали обращать внимание еще в 1960-х и 1970-х годах.

С точки зрения отрасли, основными производителями ReRAM являются Panasonic, Renesas, Western Digital, Fujitsu, Samsung, Sony, Adesto и Crossbar. Что касается литейных предприятий, то SMIC, TSMC, UMC, GlobalFoundries и т. д. разрабатывают или предоставляют процессы ReRAM для клиентов литейных предприятий.

Траектория его развития примерно следующая: в 2013 году Panasonic и Adesto выпустили продукты ReRAM с 180-нм и 130-нм техпроцессом соответственно; в 2015 году Fujitsu и Panasonic совместно выпустили чип ReRAM емкостью 4 МБ; в 2017 году Crossbar и SMIC выпустили чип емкостью 40 нм 8 МБ; Исходя из этого, в 2018 году Adesto выпустила новые продукты с 130-нм техпроцессом, Crossbar и Microsemi выпустили 28-нм eReRAM, а Fujitsu выпустила чип MB85AS8MT ReRAM емкостью 8 МБ, что еще больше расширит рынок примерно в 2020 году; , Intel выпустила продукты eReRAM с использованием процесса 22FFL. С тех пор и до 2024 года многие компании выпустили несколько 40-нм продуктов ReRAM, продолжая развивать технологию ReRAM;

В июле этого года отечественный производитель головных панелей Visionox завершил разработку и сертификацию первого в мире чипа драйвера дисплея AMOLED с использованием встроенной технологии хранения данных ReRAM.

По имеющимся данным, это первый чип драйвера дисплея, использующий встроенную технологию хранения RRAM в AMOLED. По сравнению с существующим традиционным чипом драйвера дисплея, который использует встроенное решение SRAM + внешняя флэш-память для достижения функции компенсации Demura, этот новый чип драйвера напрямую удаляет традиционный внешний чип флэш-памяти, эффективно решая проблемы высокой стоимости внешнего устройства и параметра компенсации. чтение, которое существует в традиционных чипах. Оно преодолевает такие проблемы, как низкая скорость, и дает такие преимущества, как более низкая стоимость, меньшая площадь и более высокая эффективность. Это важный прорыв в технологии чипов драйверов дисплеев AMOLED.

В мае аналитическая компания TechInsights сообщила, что новейшая микросхема встроенной резистивной переключаемой памяти (eRRAM) TSMC 22ULL ​​добилась значительного прогресса в технологии хранения данных. Чип используется в новых системных чипах серии nRF54L от Nordic Semiconductor, став маломощным беспроводным компонентом. решение IoT, это продукт eRRAM второго поколения от TSMC, который использует первую в отрасли 22-нм технологию CMOS и, как говорят, сопоставим со встроенной STT-MRAM.

В марте Xinyuan Semiconductor, инвестируемая ByteDance, также занимается исследованиями и разработкой новой технологии хранения данных ReRAM и связанных с ней микросхем, охватывающих высокопроизводительное промышленное управление, автомобильные чипы SoC/ASIC, интегрированные системы хранения и вычислений (CIM) IP и чипы. и чипы системного уровня хранения (SoM) и другие области применения.

Сообщается, что компания Xinyuan Semiconductor освоила интегрированную технологию с обратной связью, охватывающую материалы устройств, технологические процессы, проектирование микросхем, IP-проектирование и пилотное массовое производство, а также построила первую на материке 12-дюймовую пилотную производственную линию ReRAM с усовершенствованным процессом. Китай и запуск серии продуктов безопасного хранения ReRAM «Xin·Shanwen» достигли коммерческого массового производства в области управления промышленной автоматизацией.

В августе 2023 года команда академика Лю Мина из Института микроэлектроники Китайской академии наук предложила новую вычислительную структуру RRAM в памяти с высоким параллелизмом и высоким коэффициентом производительности. На уровне устройства команда предложила структуру массива хранения и вычислений со взвешенным двухтранзистор-мемристором (WH-2T1R), который снижает влияние паразитных воздействий на ток вычислений и снижает энергопотребление операций умножения-накопления. На схемном уровне предложена схема считывания опорного токоснижающего усилителя считывания токового режима, что существенно снижает энергопотребление схемы считывания. На уровне сопоставления алгоритмов команда предложила стратегию сопоставления высокобитовой избыточности данных (MSB_RSM) для повышения точности вычислений. Эти решения были проверены с использованием встроенного 28-нм процесса, независимо разработанного командой. Средняя энергоэффективность вычислительной структуры RRAM в памяти в задаче ResNet-18 достигает 30,34ТОПС/Вт и может быть увеличена до 154,04ТОПС/Вт. оптимизация времени считывания. Результаты исследования были опубликованы в «IEEE Journal of Solid-State Circuits».

В августе 2023 года Houmo Intelligent объявила о завершении тестирования и разработки сценария применения первого коммерчески доступного чипа памяти RRAM большой емкости.

Существует также компания Yizhu Technology, которая занимается разработкой полностью цифровых систем хранения данных и вычислений, интегрированных в микросхемы большой вычислительной мощности с искусственным интеллектом на основе ReRAM. В 2023 году компания Yi Zhu Technology успешно разработала первый высокоточный, малопотребляющий накопитель и интегрированный в вычисления ИИ-чип POC большой вычислительной мощности на основе мемристора RRAM (ReRAM). Он основан на традиционных производственных процессах и был проверен третьей стороной. партийные учреждения с отличными показателями энергоэффективности. Более чем в 10 раз выше, чем у чипов искусственного интеллекта с традиционной архитектурой.

Кроме того, Weebit Nano, совместное израильско-французское предприятие, основанное в 2015 году, уже много лет занимается технологией памяти ReRAM.

Weebit Nano заключила партнерское соглашение с производителем CMOS-полупроводников Skywater, чтобы предоставить свои модули ReRAM клиентам Skywater и создать полнофункциональный демонстрационный чип.

На саммите Flash Memory Summit в августе 2023 года Амир Регев, вице-президент по качеству и надежности Weebit Nano, представил тенденции развития рынка встроенной памяти ReRAM, а также технологический прогресс и достижения Weebit Nano в этой области. Он отметил, что к 2028 году развивающийся рынок энергонезависимой памяти (NVM) достигнет 2,7 млрд долларов США, при этом ReRAM, как ожидается, будет занимать 37% доли рынка, особенно во встроенных приложениях, поскольку поставки микроконтроллеров растут. ReRAM займет 60% рынка. % объема пластины.

В настоящее время Weebit реализует модель коммерческой эксплуатации, лицензируя IP полупроводниковым компаниям и фабрикам. Ее технология ReRAM была проверена на технологическом узле 28–130 нм и успешно завершена на платформе 22FDX компании GlobalFoundries, запуск которой запланирован на 2024 год. производство.

Модули Weebit ReRAM, производимые в SkyWater, прошли ключевую квалификацию, что стало важной вехой в развитии технологии ReRAM.

В Weebit Nano заявили, что новая память ReRAM становится мейнстримом.

Помимо вышеупомянутых областей применения, нейроморфные вычисления являются еще одной потенциальной областью применения ReRAM.

Некоторые компании, такие как Facebook и Google, разработали системы машинного обучения, использующие нейронные сети. Нейронные сети помогают системам, многие из которых используют FPGA и графические процессоры с памятью на основе SRAM, обрабатывать данные и распознавать закономерности. Индустрия памяти разрабатывает ReRAM для этой области, которая намного более плотна по сравнению с архитектурами GPU/SRAM.

Но нейроморфные системы требуют каскадного подключения нескольких устройств ReRAM. Прежде чем ReRAM сможет выйти на рынок, индустрия памяти должна сначала освоить ReRAM в небольших масштабах.

Поскольку действие закона Мура постепенно замедляется, становится все более важным найти эффективные технологии хранения данных, которые могут удовлетворить потребности вычислений следующего поколения. В этом контексте ReRAM продемонстрировал большой потенциал.

Хотя технология ReRAM является многообещающей в качестве решения для памяти следующего поколения, она по-прежнему сталкивается с определенными проблемами, которые препятствуют ее широкому распространению. Во-первых, это проблема «скрытого пути», которая вызывает утечку тока и может привести к ошибочному чтению памяти. Во-вторых, существуют опасения по поводу образования и стабильности кислородных вакансий, которые имеют решающее значение для механизма резистивного переключения, на котором основана ReRAM; Кроме того, создание однородного электрического поля внутри ячейки памяти для надежного переключения также является проблемой конструкции. Опять же, хотя ReRAM обеспечивает энергоэффективность по сравнению с традиционными запоминающими устройствами, такими как флэш-память, улучшение этого атрибута для удовлетворения потребностей приложений со сверхнизким энергопотреблением является техническим препятствием.

В краткосрочной перспективе ReRAM не заменит NAND или другую распространенную память, но она найдет свое место, особенно во встроенных системах и других областях, где требуется высокая производительность, низкое энергопотребление, миниатюризация и решения для хранения данных с высокой плотностью хранения.

MRAM выделяется

Помимо FeRAM и ReRAM, широко обсуждались и другие новые технологии памяти, такие как MRAM и PCM. Каждая из этих технологий имеет свои уникальные преимущества и сценарии применения, но также сталкивается со своими проблемами.

В постоянно развивающемся технологическом ландшафте некоторые инновации выделяются своим потенциалом изменить отрасли и переопределить стандарты производительности. Магниторезистивная память с произвольным доступом (MRAM) является таким большим прорывом.

MRAM, Magnetic RAM, также известная как магнитная память, представляет собой технологию, основанную на эффекте туннельного магнитосопротивления.

MRAM использует магнитные туннельные переходы (MTJ) в качестве основного блока памяти. Каждый MTJ состоит из двух слоев магнитных материалов, зажатых тонким изолирующим слоем. В зависимости от того, совпадают ли направления намагничивания двух слоев магнитных материалов, MTJ демонстрирует разные значения сопротивления для хранения информации. MRAM сочетает в себе высокую скорость чтения и записи DRAM с энергонезависимыми характеристиками SRAM. Она также обладает преимуществами низкого энергопотребления, высокой долговечности, широкого диапазона рабочих температур и практически неограниченного количества циклов стирания и записи.

Принципиальная схема MRAM

Технические характеристики MRAM:

Энергонезависимый:Магнетизм ферромагнетиков не исчезнет при отключении электроэнергии, а MRAM энергонезависимы;

Неограниченное время чтения и записи:Магнетизм ферромагнетиков не только не исчезает при отключении питания, но и считается почти никогда не исчезающим. Поэтому MRAM и DRAM можно перезаписывать бесконечно;

Высокая скорость записи и низкое энергопотребление:Время записи MRAM может составлять всего 2,3 нс, а энергопотребление чрезвычайно низкое, что обеспечивает мгновенное включение и выключение питания и продлевает срок службы батареи портативных компьютеров;

Высокая интеграция с логическими чипами:Блоки MRAM можно легко встроить в микросхемы логических схем, а к внутреннему процессу металлизации добавляются только один или два этапа, требующие фотолитографической маски. Кроме того, ячейки MRAM могут быть полностью изготовлены в металлическом слое чипа, и даже 2-3 слоя ячеек могут быть уложены друг на друга, что дает возможность создавать крупномасштабные массивы памяти на логических схемах.

Исследования MRAM направлены на повышение плотности хранения, снижение энергии записи, увеличение скорости чтения и записи, а также улучшение совместимости и экономической эффективности производственного процесса. STT-MRAM стал горячей точкой для исследований из-за более низкого тока записи и лучшей масштабируемости, в то время как SOT-MRAM привлек внимание из-за своего потенциала для достижения более низкого энергопотребления и более высоких скоростей переключения.

MRAM — это энергонезависимая память, которая быстрее, долговечнее и потребляет меньше энергии, чем традиционные технологии, и получает все большее распространение в различных отраслях, включая автомобильную, промышленную, носимые, аэрокосмическую и оборонную.

Как правило, патентные заявки являются явным признаком того, что технологии уделяется большое внимание: чем более актуальна технология для коммерческого применения, тем больше количество патентных заявок.

Согласно статистике LexisNexis, количество патентных заявок на рынке MRAM оставалось стабильным с 2004 по 2013 год, составляя примерно от 300 до 400 патентных заявок в год. Пик был в 2011 году. Дальнейшее расследование показало, что Toshiba увеличила количество заявок на патенты в этой технологической области в 2011 году, что привело к такому всплеску.

Тенденции подачи патентных заявок и публикации IEEE в области MRAM за последние 20 лет.

Стоит отметить, что падение в конце диаграммы отражает не падение интереса, а скорее задержку между подачей заявки на патент и публикацией.

Понятно, что с учетом размера патентного портфеля LexisNexis разделила топ-10 компаний на три категории:

Владельцы сильных патентных портфелей: Samsung, Kioxia и TSMC;

Последователи: TDK и IBM;

другие компании.

Качество 10 крупнейших компаний в области MRAM по объему патентного портфеля

MRAM, отмечен коммерческий потенциал

Оглядываясь назад на историю развития MRAM, можно сказать, что еще в 2002 году TSMC подписала план развития сотрудничества MRAM с Тайваньским институтом промышленных исследований.

Первой коммерциализированной MRAM была Toggle-MRAM емкостью 4 МБ, произведенная Freescale Semiconductor в 2006 году. Honeywell и Cobham, а также другие компании также выпустили сопутствующие продукты. В 2014 году Toshiba объявила, что заменит SRAM на STT-MRAM, что приведет к снижению энергопотребления кэша; устройство было уменьшено почти на 60%, в 2017 году Пекинский университет аэронавтики и космонавтики и Институт микроэлектроники Китайской академии наук совместно успешно подготовили первое в стране 80-нанометровое устройство STT-MRAM.

В июне 2023 года группа исследования спиновых квантовых материалов и устройств Шэньчжэньской лаборатории материалов озера Суншань сотрудничала с Калифорнийским университетом в Лос-Анджелесе, Университетом науки и технологий имени короля Абдаллы, Китайским университетом электронных наук и технологий и Институтом Физика Китайской академии наук для реализации более совершенного устройства памяти SOT-MRAM на основе топологического изолятора, сочетающего высокую плотность хранения с туннельным переходом с перпендикулярной магнитной анизотропией (pMTJ). TSMC разработала соответствующие линейки продуктов MRAM, такие как техпроцесс 16/12 нм.

Также в 2023 году NXP в сотрудничестве с TSMC совместно разработала первую в отрасли автомобильную 16-нанометровую встроенную MRAM FinFET для поддержки автомобильной архитектуры следующего поколения. Это сотрудничество подчеркивает растущую важность MRAM в автомобильном секторе с целью повышения производительности и надежности передовых автомобильных приложений.

18 января этого года TSMC и Институт промышленных исследований объявили об успешной разработке микросхем массива SOT-MRAM, что ознаменовало крупный прорыв в области технологии памяти MRAM следующего поколения. Этот инновационный продукт не только использует передовую вычислительную архитектуру, но и его энергопотребление составляет всего 1% от аналогичной технологии STT-MRAM.

Кроме того, TSMC активно изучает SOT-MRAM и VC-MRAM и сотрудничает с внешними исследовательскими лабораториями, консорциумами и академическими партнерами.

Топ-10 компаний с инновационной зрелостью в области MRAM

Почти одновременно с TSMC компания Samsung объявила о своем плане развития MRAM в 2002 году. В 2005 году компания Samsung возглавила исследования и разработку STT-MRAM. Позже было доказано, что эта технология соответствует требованиям к производительности кэша последнего уровня в области высокопроизводительных вычислений и считается мощным инструментом для решения этой проблемы. прорваться через нишу рынка.

В начале 2022 года компания Samsung Electronics опубликовала первое в мире исследование вычислений в оперативной памяти на основе MRAM в ведущем академическом журнале Nature. На выставке SFF 2023 в Европе компания Samsung объявила о своем намерении совершить революцию в автомобильных технологиях следующего поколения и планирует разработать первую 5-нм технологию eMRAM от Samsung. Помимо запуска 14-нм eMRAM к 2024 году, компания также планирует дальнейшее расширение своего портфеля продуктов eMRAM до 8-нм к 2026 году и 5-нм к 2027 году. Ожидается, что по сравнению с 14-нм техпроцессом 8-нм eMRAM увеличит плотность на 30% и скорость на 33%.

Среди всех этих новых технологий памяти MRAM является одной из технологий с большим коммерческим потенциалом.

Хотя память MRAM обладает преимуществами долговечности и массового производства, MRAM не лишена недостатков. Она также сталкивается со многими проблемами, такими как сложная система материалов реального устройства, низкий коэффициент переключения и необходимость полного согласования процесса CMOS. Кроме того, разработка MRAM по-прежнему сталкивается с узкими местами в динамическом энергопотреблении, эффективности задержки энергии и надежности.

Вообще говоря, MRAM еще далека от зрелой технологии, и ее ценовое преимущество еще не выявлено. Кроме того, развиваются и другие новые технологии хранения данных. Можно только сказать, что MRAM сейчас является более перспективной в плане полной замены. DRAM или NAND, MRAM еще предстоит пройти долгий путь.

PCM, открывающий новую парадигму вычислений

PCM, ОЗУ с фазовым изменением, также известное как память с фазовым изменением или PCRAM.

Принцип PCM состоит в том, чтобы преобразовать материал с фазовым переходом между кристаллическим (проводящим) состоянием с низким сопротивлением и аморфным (непроводящим) состоянием с высоким сопротивлением путем изменения температуры и использовать разницу проводимости между двумя состояниями, чтобы отличить « 0 и 1". Это позволяет хранить данные.

Принципиальная схема ПКМ

PCM обладает энергонезависимостью NAND, высокой скоростью чтения и записи и длительным сроком службы DRAM. Он также обладает преимуществами низкой задержки, высокой плотности, низкого энергопотребления и совместимости с технологией CMOS. Ожидается, что возможность «два в одном» будет применяться в высокопроизводительных центрах обработки данных, серверах, Интернете вещей и других сценариях в будущем.

Технические характеристики ПКМ:

Низкая задержка, сбалансированное время чтения и записи:PCM не нужно стирать предыдущий код или данные перед записью кода обновления, поэтому скорость чтения и записи PCM улучшается по сравнению с NAND Flash, а время чтения и записи более сбалансировано;

Долгая жизнь:Чтение и запись PCM являются неразрушающими, поэтому срок службы записи намного превышает срок службы флэш-памяти. Использование PCM для замены традиционных механических жестких дисков обеспечивает более высокую надежность;

Низкое энергопотребление:PCM не имеет механического вращающегося устройства и не требует тока обновления для сохранения кода или данных. Поэтому энергопотребление PCM ниже, чем у HDD, NAND и DRAM;

Высокая плотность:Некоторые PCM используют нетранзисторную конструкцию для достижения высокой плотности хранения данных;

Хорошая радиационная стойкость:Технология хранения PCM не имеет ничего общего с состоянием заряженных частиц в материале, поэтому она обладает высокой устойчивостью к космическому излучению и может удовлетворить потребности национальной обороны и аэрокосмической отрасли.

В настоящее время не обнаружено четких физических ограничений для PCM. Исследования показывают, что даже если толщина материала с фазовым переходом уменьшена до 2 нм, устройство памяти все равно может подвергаться фазовому изменению. Таким образом, PCM может решить проблему физического предела технологии памяти и стать одним из полупроводниковых устройств памяти нового поколения в будущем.

В 2006 году Intel в сотрудничестве с Samsung выпустила первый коммерческий чип PCM. В 2015 году Intel и Micron совместно разработали революционный чип памяти PCM — 3D Xpoint. Первый назвал технологию Optane, а второй — QuantX.

Технология 3D Xpoint совершила революционный прорыв в области энергонезависимой памяти. Хотя ее скорость немного ниже, чем у DRAM, ее емкость выше, чем у DRAM, и в 1000 раз быстрее, чем у флэш-памяти.

Но его недостатки также очевидны. 3D Xpoint использует штабелируемую структуру. Поскольку чем больше слоев уложено, тем больше масок требуется, а во всей отрасли производства микросхем маски составляют наибольшую стоимость. Поэтому с точки зрения производства очень сложно создать многослойную трехмерную структуру с десятками слоев.

С закрытием подразделения памяти Intel Optane технология памяти 3D XPoint также подошла к концу.

Однако отрасль все еще разрабатывает технологию PCM. В начале 2022 года Институт материалов и устройств для хранения информации (ISMD) Школы интегральных схем Хуачжунского университета науки и технологий и Центр инноваций и дизайна материалов (CAID) Сианьского университета Цзяотун разработали память с фазовым изменением. с сетчатой ​​аморфной структурой, с потребляемой мощностью 0,05 Ниже пДж, потребляемая мощность в тысячу раз ниже, чем у основной продукции.

В апреле этого года Корейская академия наук и технологий объявила, что исследовательская группа под руководством профессора Шинхёна Чоя из Школы электротехники разработала устройство памяти следующего поколения с фазовым изменением. Соответствующие результаты были опубликованы в ведущем журнале Nature. Название статьи: «Память с фазовым изменением посредством самоограниченной нанонити с изменяемой фазой».

В документе представлено новое устройство PCM, в котором используются нанопровода SiTex с изменяемой фазой для эффективного снижения тока сброса PCM. Эта инновационная конструкция позволяет значительно снизить ток сброса без ущерба для производственных затрат. В частности, разработанная нановолоконная PCM демонстрирует сверхнизкий ток сброса, составляющий примерно 10 мкА, что на один-два порядка ниже, чем у традиционных PCM с высокой степенью масштабирования.

Этот прорыв в технологии PCM знаменует собой важный шаг для отрасли в открытии новой парадигмы вычислений, особенно в тех приложениях, которые могут извлечь выгоду из уникальных характеристик PCM.

Хотя PCM имеет множество преимуществ, существуют также некоторые очевидные недостатки. В настоящее время PCM имеет множество узких мест в приложениях, что приводит к застою в коммерциализации. Во-первых, поскольку процесс хранения PCM основан на регулировании температуры и очень чувствителен к температуре, его нельзя применять в широких температурных сценариях. Во-вторых, память PCM имеет многоуровневую структуру, совместимую с процессом CMOS, в результате чего плотность хранения оказывается слишком низкой для удовлетворения требований к емкости для замены флэш-памяти NAND. Кроме того, стоимость и урожайность также стали одними из узких мест на пути крупномасштабной индустриализации.

напиши в конце

В течение многих лет индустрия памяти искала новую технологию хранения данных.Будь то FeRAM, ReRAM, MRAM или PCM, все они направлены на то, чтобы в определенной степени решить проблемы «стены производительности» и «стены хранения» традиционных хранилищ, сломать архитектуру фон Неймана и устранить задержки и задержки, вызванные данными. доступ к энергопотреблению для достижения более высокой вычислительной мощности и коэффициента энергоэффективности, но конкретные технические характеристики и уровни коммерциализации четырех новых систем хранения данных различны.

Сравнение основных и новых технологий хранения данных

Основываясь на анализе различных типов технических характеристик и состояния рынка, эти новые технологии в настоящее время не способны заменить флэш-память DRAM/NAND. Однако в эпоху бурного роста данных новые системы хранения данных обладают высокой производительностью, длительным сроком службы и долговечностью. Ожидается, что превосходные характеристики, такие как надежность и устойчивость к высоким температурам, заполнят пробел на рынке памяти и станут новым выбором в области памяти.

Как упоминалось в начале статьи, были выявлены недостатки непрерывных технологических инноваций на нынешнем традиционном пути. Рынок остро нуждается в продуктах памяти, которые могут удовлетворить потребности новых сценариев, и у новых систем хранения есть окно возможностей. .

Однако нам необходимо следить за тем, чтобы в процессе разработки новых систем хранения данных индустрия памяти продолжала расширять возможности флэш-памяти DRAM и NAND, что затрудняет занятие новых типов памяти на рынке.

Заглядывая в будущее, некоторые отраслевые эксперты говорят, что ни один тип памяти не является всемогущим и не может справиться со всеми приложениями. Каждая технология имеет разные свойства и хорошо выполняет разные функции. Ожидается, что эти передовые технологии хранения будут первыми, которые будут использоваться в приложениях, которые смогут отражать и использовать их уникальные преимущества.