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Desde la década de 1970, la DRAM ha entrado en el mercado comercial y se ha convertido en la rama más grande del campo del almacenamiento con velocidades de lectura y escritura extremadamente altas. Después de la aparición de los teléfonos básicos, el mercado NOR Flash se disparó en la era de las PC; de capacidad de almacenamiento La demanda está creciendo y NAND Flash de alta capacidad y bajo costo se ha convertido en la mejor opción.

Hoy en día, con el auge de la IA, HBM está a la cabeza.

La tecnología de almacenamiento se ha desarrollado y cambiado en los últimos 50 años, y ahora ha formado gradualmente los principales campos de DRAM, Flash y SRAM.

Sin embargo, a medida que la tecnología de fabricación de semiconductores continúa avanzando hacia nodos tecnológicos más pequeños, los escenarios de aplicaciones emergentes han planteado requisitos más altos para el almacenamiento de datos en términos de velocidad, consumo de energía, capacidad, confiabilidad, etc., y los inconvenientes de la innovación tecnológica continua en los sistemas tradicionales. Desde entonces, DRAM, NAND Flash, etc. han comenzado a enfrentar desafíos cada vez más severos, junto con la falta de coincidencia en la velocidad de desarrollo entre estas tecnologías de almacenamiento y las unidades informáticas lógicas, lo que ha restringido severamente la mejora adicional del rendimiento informático. y eficiencia energética.

Por lo tanto, la industria ha comenzado a poner grandes esperanzas en las tecnologías de almacenamiento emergentes, y cada vez más tecnologías emergentes están surgiendo rápidamente.

En la actualidad, la industria se centra principalmente en cuatro tipos de memorias emergentes: memoria ferroeléctrica (FeRAM/FRAM), memoria resistiva (ReRAM/RRAM), memoria magnética (MRAM) y memoria de cambio de fase (PCM).Estas tecnologías de memoria emergentes tienen como objetivo integrar la velocidad de conmutación de SRAM y las características de alta densidad de DRAM, con las características no volátiles de Flash.

Ante el conflicto entre las tecnologías antiguas y las nuevas, ¿puede continuar la actual tendencia dominante en la industria de DRAM y NAND? ¿O lo sustituirán las tecnologías de memoria emergentes como FeRAM, ReRAM, MRAM o PCM? ¿Cómo serán la tendencia futura y el destino del mercado de almacenamiento?

Memoria ferroeléctrica FeRAM, ¿en problemas?

El 28 de julio de 2022, 7 años después del lanzamiento de la tecnología de memoria 3D XPoint, Intel anunció que cerraría su negocio de memorias Optane. Para la industria del almacenamiento, esta noticia puede no ser una sorpresa. Como primer producto comercial de memoria no volátil de Intel, el progreso comercial de Optane no es fluido y su producción nunca alcanzará un nivel en el que los precios de los chips sean razonables.

Por lo tanto, Aoteng no puede escapar del final del fracaso.

FeRAM es otra nueva tecnología candidata a memoria. Durante años, la industria de la memoria ha estado desarrollando FeRAM y otras tecnologías de memoria de próxima generación destinadas a llenar las limitaciones y lagunas tecnológicas de la memoria tradicional.

FeRAM, el nombre completo es Ferroelectric RAM (memoria de acceso aleatorio ferroeléctrica), también conocida como memoria ferroeléctrica. FeRAM utiliza materiales de cristal ferroeléctrico como medio de almacenamiento y utiliza las características del bucle de histéresis característico en la relación entre el voltaje y la corriente de los materiales de cristal ferroeléctrico para lograr el almacenamiento de información.

Diagrama de estructura de FeRAM

Los productos FeRAM combinan las características de almacenamiento de datos no volátiles de la ROM con las ventajas de lectura y escritura ilimitadas, lectura y escritura de alta velocidad y bajo consumo de energía de la RAM.

FeRAM tiene las siguientes características técnicas:

No volátil:La característica más notable de FeRAM es que sus datos no se perderán después de un corte de energía y es una memoria no volátil;

Lectura y escritura de alta velocidad:FeRAM tiene velocidades de lectura y escritura relativamente rápidas, con tiempos de acceso generalmente de alrededor de 50 ns y tiempos de ciclo de alrededor de 75 ns, lo que lo hace ventajoso en situaciones donde se requiere un acceso rápido a los datos;

Larga vida:FeRAM tiene una alta resistencia de lectura y escritura, normalmente capaz de alcanzar miles de millones de ciclos de lectura y escritura, superando con creces la EEPROM y la memoria flash tradicionales;

Bajo consumo de energía:Dado que FeRAM no requiere energía adicional para mantener el estado de los datos al almacenarlos, el consumo de energía es relativamente bajo;

Alta confiabilidad:Compatible con proceso CMOS, amplio rango de temperatura de funcionamiento, alta confiabilidad.

FeRAM tiene baja densidad de almacenamiento y capacidad limitada. Aunque no puede reemplazar completamente a DRAM y NAND Flash, tiene potencial de desarrollo en escenarios que no requieren alta capacidad, alta velocidad y frecuencia de lectura y escritura y una larga vida útil. relojes, campos de la electrónica de consumo, como tarjetas inteligentes y dispositivos IoT, así como automóviles y robots industriales.

Mirando hacia atrás en la historia del desarrollo, los científicos propusieron el concepto de materiales ferroeléctricos ya en 1920; en 1952, un estudiante de maestría en el Instituto de Tecnología de Massachusetts propuso por primera vez el concepto de utilizar condensadores ferroeléctricos como elementos de almacenamiento de datos en un artículo; la empresa estadounidense Ramtron (adquirida por Cypress) comenzó a producir productos FeRAM de bajo nivel con estructura 2T/2C; en 1993, Ramtron desarrolló el primer producto FeRAM de 4 Kb producido en masa en el mundo; Hitachi desarrolló FeRAM de 256 kb y lo lanzó en diciembre; del mismo año Listado.

Desde entonces, el desarrollo y aplicación de FeRAM ha abierto un nuevo capítulo.

FeRAM, ¿el progreso es lento?

Actualmente, los principales actores en el mercado de FeRAM incluyen Infineon (adquirió Cypress), Fujitsu, Texas Instruments, IBM y Micron, etc. Estas empresas ofrecen múltiples soluciones para aplicaciones como medidores inteligentes, sistemas automotrices, dispositivos portátiles y productos de memoria ferroeléctrica. .

Fujitsu tiene productos de memoria ferroeléctrica de alta velocidad para aplicaciones industriales y automotrices y los ha estado entregando al mercado industrial durante más de 20 años; Texas Instruments proporciona microcontroladores basados ​​en FeRAM para dispositivos y dispositivos portátiles de IoT; IBM proporciona aplicaciones de servidor Proporciona tecnología de memoria ferroeléctrica; Infineon se centra en proporcionar soluciones de memoria ferroeléctrica para sistemas de control industriales y automotrices.

En diciembre de 2023, Micron reveló sus resultados de investigación y desarrollo de NVDRAM 3D de 32 Gb en la conferencia IEEE IEDM, que es mucho más grande que los productos anteriores de 8 Mb de Fujitsu y SK Hynix, así como los productos de 16 Mb de Infineon y 128 Mb de Toshiba.

Se informa que la memoria NVDRAM se basa en el principio de ferroelectricidad y puede lograr una alta durabilidad y una baja latencia cercana a la DRAM, al tiempo que tiene una no volatilidad similar a la de la memoria flash NAND. Esta memoria emergente utiliza apilamiento 3D de doble capa y su densidad de capacidad de 32 Gb establece un nuevo récord para la memoria ferroeléctrica. Micron ha probado muestras de NVDRAM basadas en la especificación LPDDR5 y cree que es adecuada para cargas de IA, pero se desconoce el tiempo de producción en masa.

Ya en marzo de 2021, Micron dijo cuando se retiró del mercado de Optane 3D XPoint: "Micron planea aplicar el conocimiento adquirido a partir de los avances en el programa 3D XPoint, así como la experiencia y los recursos de ingeniería relacionados, a la memoria centrada en Entre los productos emergentes dirigidos a la capa de almacenamiento de memoria, FeRAM puede haber sido el objetivo ".

Además, Jita Semiconductor también ha unido fuerzas con Wuxi Shunming Storage Technology Priority Company, un proveedor nacional de memoria ferroeléctrica emergente, para lanzar el primer producto nacional de memoria ferroeléctrica emergente de 110 nm en diciembre de 2023. En comparación con la tecnología existente, el nuevo área de productos es más pequeña. 40% ~ 60%, el rendimiento ha mejorado enormemente y está previsto que se produzca oficialmente en masa en el primer trimestre de 2024.

La tecnología de proceso de memoria ferroeléctrica emergente de Jita Semiconductor

Con sus numerosas características, se espera que FeRAM se convierta en una de las futuras direcciones de desarrollo de la memoria.

Sin embargo, su desarrollo también enfrenta algunos desafíos: en primer lugar, el rendimiento de FeRAM se ve afectado por la limitación del tamaño de la matriz y necesita mejorarse aún más; en segundo lugar, FeRAM puede sufrir una degradación de la durabilidad después de alcanzar una cierta cantidad de ciclos de lectura, lo que requiere su uso; de la ciencia de los materiales y el avance de los procesos de fabricación; además, el costo de fabricación de FeRAM es relativamente alto y debe reducirse con la expansión de la escala de producción y el progreso tecnológico.

Algunos en la industria creen que FeRAM y Optane se encuentran en el mismo dilema: no existe una forma factible de lograr la producción en masa y así reducir el costo de cada chip a un nivel asequible, y el progreso es actualmente lento.

Micron ha dicho que si el mercado es lo suficientemente atractivo, Micron puede producir productos NVDRAM para la venta, pero sólo si ve que el rendimiento del capital de la tecnología será mayor que invertir en NAND o DRAM.

Esta es una demanda muy grande para el nicho del mercado de memorias integradas.

Si los grandes fabricantes de almacenamiento como Micron, SK Hynix y Samsung no adoptan la memoria FeRAM a gran escala, aún quedará un largo camino por recorrer para que las nuevas empresas desarrollen y prueben la tecnología de sus productos mediante la cooperación con fundiciones. Hasta que se produzcan estas circunstancias, el FeRAM sólo podrá permanecer en los laboratorios de investigación de los institutos tecnológicos y no podrá comercializarse a gran escala.

La memoria emergente ReRAM se está volviendo popular

En comparación con FeRAM, los dispositivos ReRAM se han desarrollado y comercializado de forma activa, continua y exitosa. La automoción, la IoT y otras aplicaciones se encuentran entre los motores de crecimiento de ReRAM.

ReRAM, el nombre completo es Memoria de acceso aleatorio resistiva (memoria de acceso aleatorio resistiva), denominada memoria de conmutación resistiva o RRAM.

ReRAM es una memoria no volátil basada en la resistencia de materiales no conductores que se puede convertir de forma reversible entre un estado de alta resistencia y un estado de baja resistencia bajo la acción de un campo eléctrico externo. Como la tecnología de almacenamiento más simple, la estructura ReRAM parece un sándwich. Una capa dieléctrica aislante (capa de conmutación resistiva) se intercala entre dos capas de metal, formando una capa de metal-dieléctrico-metal compuesta por electrodos superior e inferior y una capa de conmutación resistiva. (MIM) estructura de tres capas.

El filamento conductor presenta dos estados de encendido o apagado en la capa resistiva: un estado no volátil de baja resistencia o un estado de alta resistencia, realizando así la distinción y almacenamiento de los estados "0" y "1".

ReRAM incluye muchas categorías de tecnología diferentes. Las rutas tecnológicas actuales incluyen principalmente: memoria de vacantes de oxígeno OxRAM, memoria de puente conductor CBRAM, memoria de iones metálicos MeRAM y nanotubos de carbono CaRAM, generalmente moviendo elementos conductores como iones metálicos o vacantes de oxígeno en puentes, o. eliminándolos de los puentes existentes, para representar 1 o 0.

Características de la tecnología ReRAM:

Alta velocidad:La velocidad de borrado y escritura de ReRAM está determinada por el ancho del pulso que desencadena el cambio de resistencia, que generalmente es inferior a 100 ns;

Fuerte durabilidad:La diferencia entre la lectura y escritura de ReRAM y NAND es que adopta un modo reversible y sin daños, lo que puede extender en gran medida su vida útil;

Capacidad de almacenamiento de varios bits:Algunos materiales ReRAM también tienen múltiples estados de resistencia, lo que hace posible que una sola celda de memoria almacene múltiples bits de datos, aumentando así la densidad de almacenamiento;

ReRAM combina la velocidad de lectura y escritura de DRAM con la no volatilidad de NAND. Cuando se mide de manera integral en términos de densidad, relación de eficiencia energética, costo, proceso y rendimiento, la memoria ReRAM tiene ventajas obvias sobre las memorias emergentes existentes.

Con múltiples ventajas, ReRAM ahora se integra en cada vez más procesos como memoria no volátil (NVM) incorporada, de 130 nm a 22 nm y menos, y se utiliza en aplicaciones de automóviles inteligentes, IA de vanguardia, MCU, PMIC, etc. Tiene las características de bajo consumo de energía, bajo costo, direccionabilidad de bytes, escalabilidad a nodos avanzados y gran adaptabilidad a diversas condiciones ambientales.

Además, la informática inspirada en el cerebro basada en ReRAM también puede superar el cuello de botella de la arquitectura informática de von Neumann a medio y largo plazo y se considera una de las mejores opciones para lograr la integración del almacenamiento y la informática.

En estas áreas, los requisitos rápidos de procesamiento y almacenamiento de datos son críticos.

La carrera por crear tecnología ReRAM altamente integrada, energéticamente eficiente y orientada al rendimiento trae consigo desarrollos interesantes para futuras soluciones de memoria para una variedad de aplicaciones. Por ejemplo, en automóviles sin conductor o robots industriales inteligentes, ReRAM, con su bajo consumo de energía y durabilidad, puede manejar operaciones de datos complejas con bajo consumo de energía y garantizar la persistencia y confiabilidad de los datos. Estas características brindan a ReRAM amplias perspectivas de aplicación en el futuro mercado de IA de vanguardia.

ReRAM, el progreso de la comercialización se aceleró

De hecho, ReRAM no es un concepto nuevo. Comenzó a recibir atención ya en los años 1960 y 1970.

Desde una perspectiva de la industria, Panasonic, Renesas, Western Digital, Fujitsu, Samsung, Sony, Adesto y Crossbar son los principales fabricantes en el campo de ReRAM. En términos de fundiciones, SMIC, TSMC, UMC, GlobalFoundries, etc. están desarrollando o proporcionando procesos ReRAM para clientes de fundiciones.

Su trayectoria de desarrollo es aproximadamente la siguiente: en 2013, Panasonic y Adesto lanzaron productos ReRAM con procesos de 180 nm y 130 nm respectivamente, en 2015, Fujitsu y Panasonic lanzaron conjuntamente un chip ReRAM de 4 Mb de capacidad, en 2017, Crossbar y SMIC lanzaron un chip de 40 nm de 8 Mb de capacidad; Y en base a esto, ingresó al mercado de ReRAM; en 2018, Adesto lanzó nuevos productos con proceso de 130 nm, en 2019, Crossbar y Microsemi lanzaron eReRAM de 28 nm y Fujitsu lanzó el chip ReRAM MB85AS8MT de 8 Mb de capacidad, ampliando aún más el mercado hacia 2020. , Intel lanzó productos eReRAM utilizando el proceso 22FFL; desde entonces hasta 2024, muchas empresas lanzaron varios productos ReRAM de 40 nm y continuaron avanzando en la tecnología ReRAM.

En julio de este año, el fabricante nacional de paneles frontales Visionox completó el desarrollo y la certificación del primer chip controlador de pantalla AMOLED del mundo que utiliza tecnología de almacenamiento ReRAM integrada.

Según los informes, este es el primer chip controlador de pantalla que utiliza tecnología de almacenamiento RRAM integrada en AMOLED. En comparación con el chip controlador de pantalla tradicional existente que utiliza una solución SRAM + Flash externa incorporada para lograr la función de compensación Demura, este nuevo chip controlador elimina directamente el chip Flash externo tradicional, resolviendo eficazmente los problemas de alto costo del dispositivo externo y parámetro de compensación. lectura que existen en los chips tradicionales. Supera problemas como la velocidad lenta y aporta ventajas como menor costo, área más pequeña y mayor eficiencia. Es un avance importante en la tecnología de chip del controlador de pantalla AMOLED.

En mayo, la firma de analistas TechInsights informó que el último chip de memoria de conmutación resistiva integrada (eRRAM) 22ULL ​​de TSMC ha logrado importantes avances en la tecnología de almacenamiento. El chip se utiliza en los nuevos chips de sistema de la serie nRF54L de Nordic Semiconductor y se convierte en una parte inalámbrica de bajo consumo. la solución IoT, este es el producto eRRAM de segunda generación de TSMC, que presenta la primera tecnología CMOS de 22 nm de la industria y se dice que es comparable a la STT-MRAM integrada.

En marzo, Xinyuan Semiconductor invertido por ByteDance también es una empresa que se centra en la investigación y el desarrollo de tecnología de almacenamiento emergente ReRAM y chips relacionados, que cubren control industrial de alto rendimiento, chips SoC/ASIC para automóviles, IP y chips integrados de almacenamiento e informática (CIM). y sistemas de chips de almacenamiento a nivel (SoM) y otras áreas de aplicación.

Se informa que Xinyuan Semiconductor ha dominado la tecnología integrada de circuito cerrado, que abarca materiales de dispositivos, procesos de proceso, diseño de chips, diseño de IP y producción piloto en masa, y ha construido la primera línea de producción piloto de back-end de 12 pulgadas ReRAM de proceso avanzado en el continente. China y lanzó la serie "Xin·Shanwen" de productos de almacenamiento seguro ReRAM que han logrado una producción comercial en masa en el campo del control de automatización industrial.

En agosto de 2023, el equipo del académico Liu Ming del Instituto de Microelectrónica de la Academia de Ciencias de China propuso una estructura informática en memoria RRAM emergente con alto paralelismo y alta relación de rendimiento. A nivel de dispositivo, el equipo propuso una estructura de matriz de almacenamiento y cálculo con un memristor ponderado de dos transistores (WH-2T1R), que reduce el impacto de los efectos parásitos en la corriente de cálculo y reduce el consumo de energía de las operaciones de acumulación múltiple. A nivel de circuito, se propone un circuito de lectura amplificador de detección en modo de corriente reductor de corriente de referencia, que reduce significativamente el consumo de energía del circuito de lectura. A nivel de mapeo de algoritmos, el equipo propuso una estrategia de mapeo de redundancia de datos de bits altos (MSB_RSM) para mejorar la precisión de los cálculos. Estas soluciones se han verificado en el proceso integrado de 28 nm desarrollado independientemente por el equipo. La eficiencia energética promedio de la estructura informática en memoria RRAM en la tarea ResNet-18 alcanza 30,34 TOPS/W y se puede aumentar a 154,04 TOPS/W. optimizando el tiempo de lectura. Los resultados de la investigación se publicaron en el "IEEE Journal of Solid-State Circuits".

En agosto de 2023, Houmo Intelligent anunció la finalización de las pruebas y el desarrollo de escenarios de aplicación del primer chip de memoria RRAM de gran capacidad disponible comercialmente.

También está la tecnología Yizhu, que se centra en el desarrollo de chips de gran potencia informática de IA integrados en computación y almacenamiento totalmente digitales basados ​​en ReRAM. En 2023, Yi Zhu Technology desarrolló con éxito el primer chip POC de gran potencia informática de IA integrado en cálculo y almacenamiento de baja potencia y alta precisión basado en memristor RRAM (ReRAM). Se basa en procesos de fabricación tradicionales y ha sido verificado por terceros. instituciones del partido con excelente rendimiento de eficiencia energética más de 10 veces más que los chips AI de arquitectura tradicional.

Además, Weebit Nano, una empresa conjunta israelí-francesa fundada en 2015, también se ha centrado en la tecnología de memoria ReRAM durante muchos años.

Weebit Nano se asoció con la fundición de semiconductores CMOS Skywater para proporcionar sus módulos ReRAM a los clientes de Skywater y produjo un chip de demostración completamente funcional.

En la Cumbre de Memoria Flash de agosto de 2023, Amir Regev, vicepresidente de Calidad y Confiabilidad de Weebit Nano, presentó las tendencias de desarrollo del mercado de ReRAM integrada y los avances y logros tecnológicos de Weebit Nano en este campo. Señaló que se espera que el mercado emergente de memoria no volátil (NVM) alcance los 2.700 millones de dólares para 2028, y se espera que ReRAM represente el 37% del mercado, especialmente en aplicaciones integradas, a medida que crezcan los envíos de MCU. ReRAM ocupará el 60% de el volumen de la oblea.

Actualmente, Weebit implementa un modelo de operación comercial mediante la concesión de licencias de propiedad intelectual a empresas y fábricas de semiconductores. Su tecnología ReRAM ha sido verificada con silicio en el nodo de proceso de 28-130 nm y se ha completado con éxito en la plataforma 22FDX de GlobalFoundries, cuyo inicio está previsto para 2024. producción.

Los módulos ReRAM de Weebit fabricados en SkyWater han completado calificaciones clave, lo que marca un hito importante en la madurez de la tecnología ReRAM.

Weebit Nano dijo que la memoria emergente ReRAM se está volviendo común.

Además de los campos aplicables anteriores, la computación neuromórfica es otro campo de aplicación potencial de ReRAM.

Algunas empresas, como Facebook y Google, han desarrollado sistemas de aprendizaje automático que utilizan redes neuronales. Las redes neuronales ayudan a los sistemas, muchos de los cuales utilizan FPGA y GPU con memoria basada en SRAM, a procesar datos y reconocer patrones. La industria de la memoria está desarrollando ReRAM para esta área, que es mucho más densa que las arquitecturas GPU/SRAM.

Pero los sistemas neuromórficos requieren conectar en cascada múltiples dispositivos ReRAM apilados. Antes de que ReRAM pueda ingresar al mercado, la industria de la memoria primero debe dominar ReRAM a pequeña escala.

A medida que la Ley de Moore se desacelera gradualmente, se vuelve cada vez más importante encontrar tecnologías de almacenamiento eficientes que puedan satisfacer las necesidades de la informática de próxima generación. En este contexto, ReRAM ha mostrado un gran potencial.

Si bien la tecnología ReRAM es prometedora como solución de memoria de próxima generación, todavía enfrenta ciertos desafíos que obstaculizan su adopción generalizada. El primero es el problema del "camino furtivo", que provoca fugas de corriente y puede provocar lecturas erróneas de la memoria; segundo, existen preocupaciones sobre la formación y estabilidad de las vacantes de oxígeno, que son fundamentales para el mecanismo de conmutación resistivo en el que se basa ReRAM; Además, crear un campo eléctrico uniforme dentro de la celda de memoria para una conmutación confiable también es un obstáculo de diseño. Nuevamente, aunque ReRAM ofrece eficiencia energética en comparación con las memorias tradicionales como la memoria flash, mejorar este atributo para satisfacer las necesidades de aplicaciones de consumo de energía ultrabaja es un obstáculo técnico.

En el corto plazo, ReRAM no reemplazará a NAND ni a otras memorias convencionales, pero encontrará su lugar, especialmente en sistemas integrados y otras áreas que requieren alto rendimiento, bajo consumo de energía, miniaturización y soluciones de almacenamiento de alta densidad.

MRAM destaca

Además de FeRAM y ReRAM, también se han debatido ampliamente otras tecnologías de memoria emergentes como MRAM y PCM. Cada una de estas tecnologías tiene sus propias ventajas y escenarios de aplicación únicos, pero también enfrenta sus propios desafíos.

En un panorama tecnológico en constante evolución, ciertas innovaciones se destacan por su potencial para remodelar industrias y redefinir los estándares de desempeño. La memoria de acceso aleatorio magnetorresistiva (MRAM) es un gran avance.

MRAM, RAM magnética, también conocida como memoria magnética, es una tecnología basada en el efecto de magnetorresistencia de túnel.

MRAM utiliza uniones de túnel magnético (MTJ) como unidad de memoria básica. Cada MTJ está compuesto por dos capas de materiales magnéticos intercaladas por una fina capa aislante. Dependiendo de si las direcciones de magnetización de las dos capas de materiales magnéticos son consistentes, el MTJ muestra diferentes valores de resistencia para almacenar información. MRAM combina el rendimiento de lectura y escritura de alta velocidad de la DRAM con las características no volátiles de la SRAM. También tiene las ventajas de un bajo consumo de energía, alta durabilidad, amplio rango de temperaturas de funcionamiento y ciclos de borrado y escritura casi ilimitados.

Diagrama esquemático de MRAM

Características técnicas de la MRAM:

No volátil:El magnetismo de los ferromagnetos no desaparecerá debido a un corte de energía y la MRAM no es volátil;

Tiempos ilimitados de lectura y escritura:El magnetismo de los ferromagnetos no sólo no desaparece cuando se corta la alimentación, sino que casi se considera que nunca desaparece. Por lo tanto, MRAM y DRAM se pueden reescribir indefinidamente;

Velocidad de escritura rápida y bajo consumo de energía:El tiempo de escritura de MRAM puede ser tan bajo como 2,3 ns y el consumo de energía es extremadamente bajo, lo que puede lograr encendido y apagado instantáneos y extender la vida útil de la batería de las computadoras portátiles;

Alta integración con chips lógicos:Las unidades MRAM se pueden integrar fácilmente en chips de circuitos lógicos, y solo se agregan uno o dos pasos que requieren una máscara de fotolitografía al proceso de metalización final. Además, las celdas MRAM se pueden fabricar completamente en la capa metálica del chip, e incluso se pueden apilar 2 o 3 capas de celdas, por lo que tiene el potencial de construir matrices de memoria a gran escala en circuitos lógicos.

La investigación de MRAM se centra en mejorar la densidad de almacenamiento, reducir la energía de escritura, aumentar las velocidades de lectura y escritura y mejorar la compatibilidad y la rentabilidad del proceso de fabricación. STT-MRAM se ha convertido en un punto de investigación debido a su menor corriente de escritura y mejor escalabilidad, mientras que SOT-MRAM ha atraído la atención debido a su potencial para lograr un menor consumo de energía y velocidades de conmutación más rápidas.

MRAM es una memoria no volátil que es más rápida, más duradera y consume menos energía que las tecnologías tradicionales, y está ganando terreno en una variedad de industrias, incluidas la automotriz, industrial, portátil, aeroespacial y de defensa.

Normalmente, las solicitudes de patentes son una señal clara de que una tecnología está recibiendo mucha atención: cuanto más relevante es una tecnología para las aplicaciones comerciales, mayor es el número de solicitudes de patente.

Según las estadísticas de LexisNexis, el número de solicitudes de patentes en el mercado de MRAM se mantuvo estable entre 2004 y 2013, con aproximadamente entre 300 y 400 solicitudes de patente cada año. Hubo un pico en 2011. Una investigación más profunda reveló que Toshiba aumentó sus solicitudes de patentes en esta área tecnológica en 2011, lo que provocó este aumento.

Tendencias de presentación de patentes y publicaciones IEEE en el campo MRAM durante los últimos 20 años

Vale la pena señalar que la caída al final del gráfico no representa una caída en el interés, sino más bien el desfase entre la solicitud de patente y su publicación.

Se entiende que, teniendo en cuenta el tamaño de la cartera de patentes, LexisNexis dividió las 10 principales empresas en tres categorías:

Propietarios de sólidas carteras de patentes: Samsung, Kioxia y TSMC;

Seguidores: TDK e IBM;

otras empresas.

Calidad de las 10 principales empresas en el campo de MRAM según la solidez de su cartera de patentes

MRAM, potencial comercial destacado

Mirando hacia atrás en la historia del desarrollo de MRAM, ya en 2002, TSMC firmó un plan de desarrollo de cooperación de MRAM con el Instituto de Investigación Industrial de Taiwán.

La primera MRAM comercializada fue la Toggle-MRAM de 4 Mb de capacidad producida por Freescale Semiconductor en 2006; Honeywell y Cobham y otras compañías también lanzaron productos relacionados. Toshiba anunció en 2014 que reemplazaría SRAM con STT-MRAM, lo que reduciría el consumo de energía de la memoria caché del microprocesamiento. el dispositivo se redujo en casi un 60%; en 2017, la Universidad de Aeronáutica y Astronáutica de Beijing y el Instituto de Microelectrónica de la Academia de Ciencias de China prepararon conjuntamente con éxito el primer dispositivo STT-MRAM de 80 nanómetros del país.

En junio de 2023, el Grupo de Investigación de Dispositivos y Materiales Cuánticos de Spin del Laboratorio de Materiales del Lago Songshan de Shenzhen colaboró ​​con la Universidad de California, Los Ángeles, la Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah, la Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de China y el Instituto de Física, Academia de Ciencias de China, para realizar un dispositivo de memoria SOT-MRAM basado en un aislante topológico que combina una alta densidad de almacenamiento con una unión de túnel de anisotropía magnética perpendicular (pMTJ). TSMC ha desarrollado líneas de productos MRAM relacionadas, como el proceso de 16/12 nm.

También en 2023, NXP colaboró ​​con TSMC para desarrollar conjuntamente la primera MRAM integrada FinFET de 16 nanómetros para automóviles de la industria para respaldar la próxima generación de arquitectura automotriz. Esta colaboración destaca la creciente importancia de MRAM en el sector automotriz, con el objetivo de mejorar el rendimiento y la confiabilidad de las aplicaciones automotrices avanzadas.

El 18 de enero de este año, TSMC y el Instituto de Investigación Industrial anunciaron el desarrollo exitoso de chips de matriz SOT-MRAM, lo que marca un gran avance en el campo de la tecnología de memoria MRAM de próxima generación. Este producto innovador no sólo utiliza una arquitectura informática avanzada, sino que su consumo de energía es sólo el 1% de la tecnología similar STT-MRAM.

Además, TSMC está explorando activamente SOT-MRAM y VC-MRAM y colaborando con laboratorios de investigación externos, consorcios y socios académicos.

Top 10 de empresas con madurez en innovación en el campo MRAM

Casi al mismo tiempo que TSMC, Samsung anunció su plan de desarrollo de MRAM en 2002. En 2005, Samsung tomó la iniciativa en la investigación y el desarrollo de STT-MRAM. Posteriormente se demostró que esta tecnología era capaz de cumplir con los requisitos de rendimiento del caché de último nivel en el campo de la informática de alto rendimiento y se consideró una herramienta poderosa. abrirse paso en el nicho de mercado.

A principios de 2022, Samsung Electronics publicó la primera investigación del mundo sobre informática en memoria basada en MRAM en la importante revista académica Nature. En SFF 2023 en Europa, Samsung anunció su visión de revolucionar la tecnología automotriz de próxima generación y planea desarrollar la primera eMRAM de 5 nm de Samsung. Además de lanzar eMRAM de 14 nm para 2024, la compañía también planea ampliar aún más su cartera de productos eMRAM con 8 nm para 2026 y 5 nm para 2027. En comparación con el proceso de 14 nm, se espera que la eMRAM de 8 nm aumente la densidad en un 30 % y la velocidad en un 33 %.

Entre todas estas tecnologías de memoria emergentes, la MRAM es una de las tecnologías con mayor potencial comercial.

Aunque la memoria MRAM tiene las ventajas de durabilidad y producción en masa, MRAM no está exenta de desventajas. También enfrenta muchos desafíos, como el complejo sistema de materiales del dispositivo real, la baja relación de conmutación y el proceso CMOS que debe coincidir completamente. Además, el desarrollo de MRAM todavía encuentra cuellos de botella en el consumo dinámico de energía, la eficiencia del retardo de energía y la confiabilidad.

En términos generales, la MRAM aún está lejos de ser una tecnología madura y su ventaja en costos aún no se ha destacado. Además, también se están desarrollando otras tecnologías de almacenamiento emergentes. Solo se puede decir que la MRAM es la más prometedora en cuanto a reemplazarla por completo. DRAM o NAND, a MRAM aún le queda mucho camino por recorrer.

PCM, abriendo un nuevo paradigma informático

PCM, RAM de cambio de fase, también conocida como memoria de cambio de fase o PCRAM.

El principio de PCM es convertir el material de cambio de fase entre un estado cristalino (conductor) de baja resistencia y un estado amorfo (no conductor) de alta resistencia cambiando la temperatura, y utilizar la diferencia de conductividad entre los dos estados para distinguir " 0 y 1". Esto permite el almacenamiento de datos.

diagrama esquemático del PCM

PCM tiene la no volatilidad de NAND y la alta velocidad de lectura y escritura y la larga vida útil de DRAM. También tiene las ventajas de baja latencia, alta densidad, bajo consumo de energía y compatibilidad con tecnología CMOS. Se espera que la posibilidad de dos en uno se aplique en centros de datos de alto rendimiento, servidores, Internet de las cosas y otros escenarios en el futuro.

Características técnicas del PCM:

Baja latencia, tiempos de lectura y escritura equilibrados:PCM no necesita borrar el código o los datos anteriores antes de escribir el código de actualización, por lo que la velocidad de lectura y escritura de PCM mejora en comparación con NAND Flash y el tiempo de lectura y escritura está más equilibrado;

Larga vida:La lectura y escritura de PCM no es destructiva, por lo que su resistencia de escritura supera con creces la de la memoria flash. El uso de PCM para reemplazar los discos duros mecánicos tradicionales tiene una mayor confiabilidad;

Bajo consumo de energía:PCM no tiene un dispositivo giratorio mecánico y no requiere corriente de actualización para guardar código o datos, por lo que el consumo de energía de PCM es menor que el de HDD, NAND y DRAM;

Densidad alta:Algunos PCM adoptan diseños sin transistores para lograr almacenamiento de alta densidad;

Buena resistencia a la radiación:La tecnología de almacenamiento PCM no tiene nada que ver con el estado de las partículas cargadas en el material, por lo que tiene una fuerte resistencia a la radiación espacial y puede satisfacer las necesidades de la defensa nacional y el sector aeroespacial.

En la actualidad, no se ha encontrado ningún límite físico claro para el PCM. Las investigaciones muestran que incluso si el material de cambio de fase se reduce a un espesor de 2 nm, el dispositivo de memoria aún puede sufrir un cambio de fase. Por lo tanto, PCM puede resolver el problema del límite físico de la tecnología de memoria y convertirse en uno de los dispositivos de memoria semiconductores de nueva generación que serán universales en el futuro.

En 2006, Intel colaboró ​​con Samsung para producir el primer chip PCM comercial. En 2015, Intel y Micron desarrollaron conjuntamente un revolucionario chip de memoria PCM: 3D Xpoint. El primero llamó a la tecnología Optane y el segundo QuantX.

La tecnología 3D Xpoint ha logrado un avance revolucionario en el campo de la memoria no volátil. Aunque su velocidad es ligeramente más lenta que la DRAM, su capacidad es mayor que la DRAM y 1.000 veces más rápida que la memoria flash.

Pero sus deficiencias también son obvias. 3D Xpoint adopta una estructura de apilamiento. Porque cuantas más capas se apilan, más máscaras se requieren y, en toda la industria de fabricación de circuitos integrados, las máscaras representan el mayor costo. Por lo tanto, desde una perspectiva de fabricación, es muy difícil lograr una estructura apilada en 3D con docenas de capas.

Con el cierre del negocio de memorias Optane de Intel, la tecnología de memoria 3D XPoint también ha llegado a su fin.

Sin embargo, la industria todavía está desarrollando la tecnología PCM. A principios de 2022, el Instituto de Materiales y Dispositivos de Almacenamiento de Información (ISMD) de la Escuela de Circuitos Integrados de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong y el Centro de Innovación y Diseño de Materiales (CAID) de la Universidad Xi'an Jiaotong desarrollaron una memoria de cambio de fase. con una estructura amorfa de malla, con un consumo de energía de 0,05 por debajo de pJ, el consumo de energía es mil veces menor que el de los productos convencionales.

En abril de este año, la Academia de Ciencia y Tecnología de Corea anunció que un equipo de investigación dirigido por el profesor Shinhyun Choi de la Escuela de Ingeniería Eléctrica había desarrollado un dispositivo de memoria de cambio de fase de próxima generación. Los resultados relevantes se publicaron en la importante revista Nature. El título del artículo es: "Memoria de cambio de fase mediante un nanofilamento autoconfinado de fase cambiable".

El artículo presenta un novedoso dispositivo PCM que utiliza nanocables SiTex de fase cambiable para reducir eficazmente la corriente de reinicio del PCM. Este diseño innovador puede reducir significativamente la corriente de reinicio sin sacrificar los costos de fabricación. Específicamente, el PCM de nanofilamento desarrollado exhibe una corriente de reinicio ultrabaja de aproximadamente 10 μA, que es uno o dos órdenes de magnitud menor que los PCM convencionales altamente escalables.

Este avance en la tecnología PCM marca un paso importante para la industria al abrir un nuevo paradigma informático, especialmente aquellas aplicaciones que pueden beneficiarse de las características únicas de PCM.

Aunque PCM tiene muchas ventajas, también existen algunas deficiencias obvias. Actualmente, PCM tiene muchos cuellos de botella en las aplicaciones, lo que resulta en un estancamiento de la comercialización. En primer lugar, debido a que el proceso de almacenamiento de PCM depende de la regulación de la temperatura y es muy sensible a la temperatura, no se puede aplicar a escenarios de temperatura amplios. En segundo lugar, la memoria PCM adopta una estructura multicapa para ser compatible con el proceso CMOS, lo que da como resultado una densidad de almacenamiento demasiado baja para cumplir con los requisitos de capacidad para reemplazar la memoria flash NAND. Además, el costo y el rendimiento también se han convertido en uno de los obstáculos para su industrialización a gran escala.

escribe al final

Durante años, la industria de la memoria ha estado buscando una nueva tecnología de almacenamiento.Ya sea FeRAM, ReRAM, MRAM o PCM, todos tienen como objetivo resolver hasta cierto punto los problemas de "muro de rendimiento" y "muro de almacenamiento" del almacenamiento tradicional, romper la arquitectura de von Neumann y eliminar los retrasos y retrasos causados ​​por los datos. acceso al consumo de energía para lograr una mayor potencia informática y una mayor relación de eficiencia energética, pero las características técnicas específicas y los niveles de comercialización de los cuatro sistemas de almacenamiento emergentes son diferentes.

Comparación entre la tecnología de almacenamiento convencional y la tecnología de almacenamiento emergente

Según el análisis de varios tipos de características técnicas y el estado del mercado, estas tecnologías emergentes actualmente no tienen la capacidad de reemplazar la memoria flash DRAM/NAND. Sin embargo, en la era de crecimiento explosivo de los datos, el almacenamiento emergente tiene un rendimiento fuerte, una larga vida útil. Se espera que características excelentes como confiabilidad y resistencia a altas temperaturas llenen el vacío en el mercado de la memoria y se conviertan en una nueva opción en el campo de la memoria.

Como se mencionó al principio del artículo, se han expuesto las deficiencias de la innovación tecnológica continua en el camino tradicional actual. El mercado necesita urgentemente productos de memoria que puedan satisfacer las necesidades de nuevos escenarios, y el almacenamiento emergente tiene una ventana de oportunidad. .

Sin embargo, debemos estar atentos a que, en el proceso de desarrollo del almacenamiento emergente, la industria de la memoria continúe ampliando la memoria flash DRAM y NAND, lo que dificulta que los nuevos tipos de memoria ocupen un lugar en el mercado.

Mirando hacia el futuro, algunos expertos de la industria dicen que ningún tipo de memoria es omnipotente y puede manejar todas las aplicaciones. Cada tecnología tiene diferentes propiedades y es buena para realizar diferentes funciones. Se espera que estas tecnologías de almacenamiento avanzadas sean las primeras en utilizarse en aplicaciones que puedan reflejar y explotar sus ventajas únicas.