ฮอเร็กซ์ กรุ๊ป
March 11, 2021
ความทรงจำทุกประเภทกำลังเผชิญกับแรงกดดันเนื่องจากความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับความจุที่มากขึ้นต้นทุนที่ต่ำลงความเร็วที่เร็วขึ้นและพลังงานที่ลดลงในการจัดการกับการโจมตีของข้อมูลใหม่ที่สร้างขึ้นทุกวันไม่ว่าจะเป็นประเภทหน่วยความจำที่มีชื่อเสียงหรือแนวทางใหม่ ๆ จำเป็นต้องมีการทำงานอย่างต่อเนื่องเพื่อให้สเกลก้าวไปข้างหน้าเนื่องจากความต้องการหน่วยความจำของเราเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว
“ ข้อมูลคือเศรษฐกิจใหม่ของโลกใบนี้” นาคจันทรสโมสรรองประธานอาวุโสฝ่ายพัฒนาเทคโนโลยีของไมครอนกล่าวในการนำเสนออย่างเต็มรูปแบบในการประชุม IEDM เมื่อเร็ว ๆ นี้
จันทรสิการันยกตัวอย่างบางส่วนที่แสดงให้เห็นถึงการระเบิดในข้อมูลสำหรับการดูแลสุขภาพเพียงอย่างเดียวอุตสาหกรรมนี้สร้างข้อมูล 153 เอ็กซาไบต์ในปี 2556 ซึ่งเป็นจำนวนที่น่าจะเพิ่มขึ้น 15 เท่าในปี 2563 นอกจากนี้ยังมีอุปกรณ์มือถือที่ใช้งานอยู่ 10 พันล้านเครื่องซึ่งแต่ละชุดจะสร้างจัดเก็บแบ่งปันและสตรีมชุดข้อมูลใหม่ .ในระดับโลกจำนวนข้อมูลทั้งหมดที่สร้างขึ้นในแต่ละวันอยู่ที่ 2.5 quintillion ไบต์และจำนวนดังกล่าวก็เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว
คลื่นข้อมูลนี้เป็นตัวขับเคลื่อนสำคัญที่อยู่เบื้องหลังการเติบโตของอุตสาหกรรมชิปในปี 2020 ในการประชุมกลยุทธ์อุตสาหกรรมของ SEMI ในสัปดาห์นี้นักวิเคราะห์ชี้ว่าเป็นหนึ่งในความประหลาดใจที่ยิ่งใหญ่ในการเติบโตของอุตสาหกรรมชิปอย่างต่อเนื่องแม้ว่าจะมีการคาดการณ์ว่าตัวเลขจะลดลงเนื่องจากการระบาด .
“ หน่วยความจำเป็นองค์ประกอบที่สำคัญ” มาริโอโมราเลสรองประธานโครงการเปิดใช้งานเทคโนโลยีและเซมิคอนดักเตอร์ของ IDC กล่าว“ หน่วยความจำเพิ่มขึ้น 10.8%แต่ NAND เติบโตมากกว่า 30%”
ข้อมูลทั้งหมดนี้ต้องใช้หน่วยความจำตลอดวงจรชีวิตและการนำเสนอ IEDM ได้ระบุข้อกังวลหลัก 3 ประการสำหรับหน่วยความจำ 3 ประเภท ได้แก่ DRAM, NAND flash และเทคโนโลยีที่เกิดขึ้นใหม่
ความท้าทายในการปรับขนาด DRAM
DRAM ยังคงเป็นองค์ประกอบหลักของโซลูชันส่วนใหญ่ได้รับการพิสูจน์ราคาถูกและเชื่อถือได้โดยทั่วไปแต่ก็ยังห่างไกลจากความสมบูรณ์แบบสามประเด็นที่เน้นในการจัดการ IEDM กับ rowhammer ระยะขอบความรู้สึกและเกตสแต็ก
“ ในด้านอุปกรณ์ DRAM ที่มีการปรับขนาดด้านข้างอย่างต่อเนื่องเรากำลังเผชิญกับความท้าทายด้วยการตอกแถวซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่รู้จักกันอย่างแพร่หลายเมื่อมีการพูดถึงบรรทัดคำอย่างต่อเนื่อง [นั่นคือถูกตอก] ประจุมีแนวโน้มที่จะสะสมในไซต์กับดัก ที่อินเทอร์เฟซ” Chandrasekaran ของไมครอนกล่าว“ ต่อมาเมื่อประจุไฟฟ้าเหล่านี้ถูกปลดปล่อยออกมาเนื่องจากการแพร่กระจายของการล่องลอยพวกมันจะโยกย้ายไปยังบิตที่อยู่ใกล้เคียงและส่งผลให้ได้รับประจุซึ่งอาจทำให้เกิดกลไกการสูญเสียข้อมูลและอาจเป็นปัญหาด้านความปลอดภัย”
ประจุไฟฟ้าที่ลอยอยู่จะรบกวนเนื้อหาของเซลล์ข้างเคียงอย่างช้าๆ - เล็กน้อยในการเข้าถึงแต่ละครั้งหลังจากหลายครั้งติดต่อกันอย่างรวดเร็วเซลล์ของเหยื่ออาจสูญเสียสถานะก่อนการรีเฟรชรอบถัดไป
Wendy Elsasser วิศวกรที่มีชื่อเสียงของ Arm เห็นด้วย"ค้อนแถวยังคงเป็นปัญหาด้านความปลอดภัยที่สำคัญและได้รับการบันทึกไว้ในเอกสารหลายฉบับเกี่ยวกับวิธีที่บิตสามารถพลิกเพื่อเข้าถึงพื้นที่ที่ปลอดภัยของหน่วยความจำได้" เธอกล่าว
นี่ไม่ใช่ปัญหาใหม่ แต่ปัญหาพื้นฐานจะแย่ลงในแต่ละรุ่น“ ในขณะที่เราปรับขนาด DRAM ด้วยการปรับขนาดระนาบเอฟเฟกต์ของเซลล์ข้างเคียงอาจกลายเป็นเอฟเฟกต์เซลล์ใกล้เพื่อนบ้านและเซลล์อื่น ๆ ก็มีแนวโน้มที่จะได้รับผลกระทบมากขึ้น” จันทราสคารันกล่าว“ และปัญหานี้จะเลวร้ายลงเรื่อย ๆ เมื่อเราปรับขนาด DRAM ที่บางลงเรื่อย ๆ ”
เนื่องจากปัญหานี้เป็นปัญหาที่ท้าทายในการกำจัดทันทีการแก้ปัญหาจึงมุ่งเน้นไปที่การควบคุมไม่ว่าจะเป็นการออกการรีเฟรชก่อนกำหนดเพื่อสร้างเซลล์ที่อ่อนแอขึ้นใหม่หรือป้องกันการเข้าถึงเพิ่มเติมหลังจากถึงขีด จำกัด แล้วJEDEC ได้เพิ่มโหมดและคำสั่งบางอย่างโดยมุ่งเน้นที่ทั้งชิป DRAM และคอนโทรลเลอร์ DRAM แต่สิ่งเหล่านี้เป็นการบรรเทาไม่ใช่วิธีแก้ปัญหาที่ต้นเหตุ
คุณสามารถเพิ่มลอจิกลงใน DRAM เพื่อตรวจจับการโจมตีที่เป็นไปได้และผู้สร้าง IP หน่วยความจำได้พยายามสร้างการป้องกันที่แข็งแกร่งขึ้น“ เราใช้ตรรกะของฮาร์ดแวร์ในการตรวจจับการเข้าถึงดังกล่าวจากนั้นเราก็ จำกัด การเข้าถึงแถวเหล่านั้นในเชิงรุก” Vadhiraj Sankaranarayanan ผู้จัดการอาวุโสฝ่ายการตลาดด้านเทคนิคของ Synopsys กล่าว“ แต่มันไม่ค่อยมีประสิทธิภาพอีกทางเลือกหนึ่งคือการรีเฟรชแถวที่อยู่ติดกับแถวที่ตอก "
ด้วยเหตุผลด้านประสิทธิภาพและพลังงานความรับผิดชอบบางประการในการตรวจจับการโจมตีได้ถูกใส่ไว้ในตัวควบคุม“ มีเทคนิคมากมายที่สามารถนำมาใช้ในคอนโทรลเลอร์ได้เนื่องจากคอนโทรลเลอร์เป็นตัวควบคุมการรับส่งข้อมูลที่เข้าสู่ช่องสัญญาณ” Sankaranarayanan กล่าวเสริม
สำหรับสาเหตุที่แท้จริงความพยายามด้านวิศวกรรมการปรับปรุงเซลล์ยังคงดำเนินต่อไป แต่เซลล์ที่แคบลงเรื่อย ๆ ทำให้สิ่งนี้เป็นความท้าทายอย่างต่อเนื่องโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อควบคู่ไปกับความจำเป็นในการรักษาขนาดของแม่พิมพ์ให้เหมาะสมและลดต้นทุนการแปรรูปหรือวัสดุเพิ่มเติมใด ๆ
ความท้าทายต่อไปในการปรับขนาด DRAM เกี่ยวข้องกับการลดระยะขอบของเครื่องขยายความรู้สึกให้แคบลง“ ระยะขอบสัมผัสจะลดลงเมื่อความจุของเซลล์ลดลงทำให้เราต้องเพิ่มอัตราส่วนภาพและแนะนำวัสดุใหม่ ๆ ” จันทราสคารันกล่าว“ แต่ถึงแม้จะมีวัสดุอิเล็กทริกที่ดีที่สุด - ช่องว่างอากาศ - ลักษณะความต้านทาน / ความจุของเส้นบิตจะถูกท้าทายเมื่อเราปรับขนาดเนื่องจากแทบไม่มีช่องว่างระหว่างเส้นสองบิตและสิ่งนี้ จำกัด ว่าเราสามารถใส่วัสดุอิเล็กทริกชนิดใดได้และในที่สุดก็ท้าทายความรู้สึกของเรา”
นอกจากนี้ทรานซิสเตอร์ที่มีขนาดเล็กยังนำไปสู่การลดความรู้สึกโดยทางอ้อม“ เนื่องจากพื้นที่ทรานซิสเตอร์ของแอมพลิฟายเออร์รับความรู้สึกลดลงเพื่อที่เราจะได้รับประสิทธิภาพของอาร์เรย์ที่ดีขึ้นการแปรผันของแรงดันไฟฟ้าตามเกณฑ์ก็จะเพิ่มขึ้น” เขากล่าวนี่เป็นความท้าทายอย่างยิ่งสำหรับวงจรอนาล็อกและจะต้องมีการทำงานอย่างต่อเนื่องเพื่อการปรับขนาดอย่างต่อเนื่อง
การปรับขนาดด้วยเกตสแต็กต้นทุนต่ำแบบดั้งเดิมของ DRAM ก็ประสบปัญหาด้านพลังงานและประสิทธิภาพเช่นกัน“ ประตูโพลีคาร์บอเนต - ซิลิกอน CMOS ประสิทธิภาพสูงพร้อมเทคโนโลยีซิลิกอนออกซิไนไตรด์เกทออกไซด์เป็นกระแสหลักในอุตสาหกรรม DRAM มานานหลายทศวรรษแล้ว” จันทราสคารันกล่าว“ เป็นที่รู้จักกันดีและเป็นวิธีแก้ปัญหาต้นทุนที่ดีมากอย่างไรก็ตามต้องเผชิญกับความท้าทายหลายประการในการตอบสนองความต้องการ EOT (ความหนาของออกไซด์ที่เท่ากัน) เพื่อให้ได้กำลังและประสิทธิภาพ”
ทางเลือกอื่นคือ high-K gate oxide และ metal-gate CMOSเทคโนโลยีทั้งสองนี้เป็นเรื่องธรรมดาในโลกของเทคโนโลยีลอจิกและเป็นตัวเลือกที่น่าสนใจสำหรับการปรับขนาดหน่วยความจำ CMOSนอกจากนี้ยังจะให้ไดรฟ์ที่ดีขึ้นรูปแบบที่น้อยลงและคุณสมบัติการจับคู่ทรานซิสเตอร์
แต่ไม่ใช่แค่เรื่องธรรมดาของกระบวนการสับเปลี่ยนเท่านั้นการนำเทคโนโลยีนี้มาใช้ในหน่วยความจำจะต้องใช้วิศวกรรมอุปกรณ์อย่างรอบคอบเพื่อเปิดใช้งานอุปกรณ์รอบนอกและอุปกรณ์ขอบและมีความเข้ากันได้ดีกับการรวมอาร์เรย์และทั้งหมดนี้จะต้องเกิดขึ้นในขณะที่รักษาความสามารถในการจ่ายที่เป็นที่ต้องการของ DRAM
ความท้าทายในการปรับขนาดแฟลช 3 มิติ
ในขณะนี้การย้ายจากหน่วยความจำแฟลช NAND แบบซ้อนกันแบบระนาบเป็น 3 มิติช่วยบรรเทาปัญหาของการมีอิเล็กตรอนที่จัดเก็บไว้น้อยเกินไปโดยการเพิ่มขนาดเซลล์ในการวางแนวใหม่แต่เมื่อจำนวนเลเยอร์เพิ่มขึ้น - ในกระแสหลายร้อยสายทรานซิสเตอร์ CMOS ในตัวและความทนทานทางกายภาพจะต้องได้รับการเอาใจใส่
กระแสสตริงกำลังตั้งค่าสถานะเมื่อสตริงยาวขึ้น“ การเพิ่มมาตราส่วนตามแนวตั้งจะท้าทายกระแสสตริงและทำให้การตรวจจับทำได้ยากขึ้น” จันทราศรีการันกล่าวกระแสสตริงจะต้องเดินทางลงไปจนสุดผ่านเลเยอร์จากนั้นสำรองข้อมูลอีกครั้งยิ่งเลเยอร์มากเท่าไหร่เส้นทางนี้ก็ยิ่งมีความต้านทานมากขึ้นและยาวขึ้นเท่านั้นซึ่งจะทำให้กระแสไฟฟ้าลดลง
ความท้าทายอย่างยิ่งคือความจริงที่ว่าวัสดุของช่องเป็นโพลีซิลิคอนซึ่งมีความคล่องตัวลดลงและการพึ่งพาขนาดเกรนและความหนาแน่นของกับดักอย่างมาก“ การควบคุมขนาดเกรนในโครงสร้างอัตราส่วนสูงเหล่านี้ถือเป็นความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีวิธีการใหม่ในการสะสมและการรักษา” จันทรกานต์กล่าว
หรืออีกวิธีหนึ่งคือวัสดุใหม่ ๆ อาจช่วยให้สตริงปัจจุบันไม่เสียหาย“ มีวัสดุใหม่หลายอย่างที่ถูกพิจารณาว่าเป็นวัสดุช่องทางเลือกซึ่งอาจช่วยปรับปรุงกระแสสตริงได้” เขากล่าว“ แต่สิ่งเหล่านี้ยังให้ความท้าทายใหม่ ๆ ในแง่ของกลไกความน่าเชื่อถือและลักษณะของเซลล์เอง”
การปรับระยะพิทช์ของแถวเพิ่มเติม (ซึ่งเป็นแนวตั้ง) สามารถช่วยได้เช่นกัน แต่จะช่วยลดขนาดของเซลล์เคลื่อนกลับไปในทิศทางที่กักเก็บอิเล็กตรอนไว้น้อยเกินไปสิ่งนี้จะถึงขีด จำกัด ในที่สุดและลดความได้เปรียบของขนาดเซลล์ที่ใหญ่ขึ้นใน 3D NAND หากระยะห่างระหว่างบรรทัดคำยังคงขยายขนาด“ ในระยะยาวคุณจะไม่มีพื้นที่เพียงพอสำหรับเซลล์และเราจะเผชิญกับความท้าทายเช่นเดียวกับ NAND แบบระนาบที่มีเอฟเฟกต์อิเล็กตรอนน้อย” เขากล่าว
ในขณะเดียวกันมีความจำเป็นต้องเปลี่ยนไปใช้การประมวลผล CMOS ขั้นสูงสำหรับวงจรอุปกรณ์ต่อพ่วงเพื่อให้ทันกับพลังงานและประสิทธิภาพที่ต้องการสิ่งนี้สะท้อนให้เห็นถึงความจำเป็นในการย้ายไปยังประตูโลหะระดับสูงใน DRAM ซึ่งทำให้ต้องใช้วิศวกรรมอุปกรณ์อย่างรอบคอบเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดของทั้งเซลล์หน่วยความจำและตรรกะ
และในที่สุดเมื่อมีการเพิ่มเลเยอร์มากขึ้นจึงกลายเป็นความท้าทายที่จะทำให้แม่พิมพ์บางเพียงพอสำหรับการใช้งานที่มีรายละเอียดต่ำเช่นโทรศัพท์มือถือในขณะที่ยังคงรักษาซิลิกอนจำนวนมากไว้ให้เพียงพอสำหรับการจัดการที่มีประสิทธิภาพ“ ในอีกหลายชั่วอายุคนข้างหน้าเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดด้านรูปแบบและแพ็คเกจสำหรับโซลูชันมือถือความหนาของอุปกรณ์ที่ใช้งานอยู่ด้านบนของซิลิกอนจะสูงกว่าความหนาของซิลิกอน“ มันสร้างความท้าทายในการจัดการแบ็คเอนด์ใหม่และการบิดงอของเวเฟอร์กลายเป็นปัญหาใหญ่ความแข็งแรงของแม่พิมพ์และการจัดการเวเฟอร์จะเป็นความท้าทายใหม่ที่ผลักดันการพัฒนาเทคโนโลยีอุปกรณ์ส่วนหลังของเรา”
ความท้าทายด้านความจำที่เกิดขึ้นใหม่
เทคโนโลยีมากมายกำลังมองว่าจะเป็นหน่วยความจำที่ไม่ลบเลือนที่สำคัญต่อไปซึ่งรวมถึงหน่วยความจำแบบเปลี่ยนเฟส (PCRAM), แรมตัวต้านทาน (RRAM / ReRAM), แรมแม่เหล็ก (MRAM) และก่อนหน้านี้ในกระบวนการพัฒนาแรมเฟอร์โรอิเล็กทริก (FeRAM) และแรมอิเลคตรอนที่สัมพันธ์กัน (CERAM)ในขณะที่ PCRAM ได้รับความนิยมในการผลิตในความทรงจำแบบข้ามจุดของ Intel และ STT-MRAM กำลังเห็นการผสานรวมที่เพิ่มขึ้น แต่ปัจจุบันเทคโนโลยีเหล่านี้ไม่สามารถอ้างสิทธิ์ในการเดี่ยวของสิ่งที่ยิ่งใหญ่ต่อไปได้ความท้าทายหลักส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับความน่าเชื่อถือและการใช้วัสดุใหม่ ๆ
MRAM เป็นหนึ่งในผู้เข้าแข่งขันที่มีความหวังมากขึ้นในการแข่งขันครั้งนี้“ MRAM เป็นหน่วยความจำประเภทหนึ่งที่ใช้สถานะแม่เหล็กของวัสดุในการจัดเก็บข้อมูลซึ่งแตกต่างจากความทรงจำแบบชาร์จเช่น DRAM และแฟลชมาก” Meng Zhu ผู้จัดการฝ่ายการตลาดผลิตภัณฑ์ของ KLA อธิบายแม้ว่าจะฟังดูเรียบง่าย แต่ MRAM ยังสร้างได้ยากกว่าความทรงจำที่มีอยู่เนื่องจากชั้นบาง ๆ และวัสดุที่ใช้ในชั้นเหล่านั้นต่างกัน
ในทำนองเดียวกัน PCRAM อาศัย Chalcogenides สำหรับเซลล์ของมันRRAM ขึ้นอยู่กับวัสดุฉนวนบาง ๆและ FeRAM ต้องการวัสดุที่สามารถเปลี่ยนเป็นสถานะเฟอร์โรอิเล็กทริกได้CERAM มีการพัฒนาเร็วพอที่องค์ประกอบของมันยังไม่เป็นที่ยอมรับ แต่มีแนวโน้มที่จะใช้วัสดุใหม่และการประกอบที่ละเอียดอ่อน
คำถามสำหรับหน่วยความจำประเภทใหม่ทั้งหมดนี้คือวิธีที่หน่วยความจำเหล่านี้จะทนได้ตลอดเวลาและการดำเนินการอ่าน / เขียนมากกว่าล้านครั้ง“ โซลูชันหน่วยความจำชั้นนำจำนวนมากต้องเผชิญกับความท้าทายด้านกลไกความน่าเชื่อถือใหม่ ๆ
MRAM ซึ่งอยู่ไกลกว่าเทคโนโลยีอื่น ๆ เป็นตัวอย่างที่ดีของประเภทของรายละเอียดที่มีความสำคัญ“ กลไกการสลายหลักของ MRAM คือการสึกหรอของอุปสรรค MgO บาง ๆ ” Zhu กล่าว“ เมื่อสิ่งกีดขวางมีข้อบกพร่องเช่นรูเข็มหรือจุดอ่อนของวัสดุความต้านทานของจุดต่อจะค่อยๆลดลงเมื่อเวลาผ่านไปและยังอาจทำให้ความต้านทานลดลงอย่างกะทันหัน (พังทลาย)”
หน่วยความจำประเภทอื่น ๆ ยังไม่ได้ระบุและจัดการกลไกความน่าเชื่อถือของตนเองคำถามเกี่ยวกับความอดทนและการเก็บรักษาข้อมูลยังคงมีอยู่และวิวัฒนาการของความต้านทานของเซลล์เมื่อเวลาผ่านไปมีความสำคัญอย่างยิ่งโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเซลล์ได้รับการพิจารณาเพื่อใช้ในความทรงจำแบบอะนาล็อกสำหรับแอปพลิเคชันเช่นการประมวลผลในหน่วยความจำสำหรับการเรียนรู้ของเครื่อง
เพื่อเพิ่มความท้าทายเซลล์หน่วยความจำใหม่เหล่านี้จำนวนมากมีความไวต่ออุณหภูมิและวัสดุของพวกมันอาจไม่ทำปฏิกิริยากับก๊าซที่ได้รับการยอมรับอย่างดีและสารเคมีอื่น ๆ ที่ใช้ในกระบวนการเซมิคอนดักเตอร์
“ วัสดุส่วนใหญ่ที่ใช้ในโซลูชันหน่วยความจำขั้นสูงเหล่านี้มีความไวต่ออุณหภูมิและสารเคมี” จันทราสคารันกล่าว“ สิ่งนี้ต้องการการแนะนำการแปรรูปที่อุณหภูมิต่ำและการควบคุมโดยรอบใน fabs ของเราและยัง จำกัด การใช้ก๊าซและสารเคมีที่รู้จักกันดีเนื่องจากมีแนวโน้มที่จะทำปฏิกิริยากับวัสดุของเซลล์และส่งผลต่อประสิทธิภาพของมันข้อ จำกัด ดังกล่าวไม่เพียง แต่ทำให้ยากต่อการประมวลผลวัสดุเหล่านี้ แต่ยังเพิ่มต้นทุนอีกด้วย”การกำหนดการไหลที่ใช้อุณหภูมิต่ำกว่าและป้องกันการย่อยสลายของเซลล์เคมีเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับความทรงจำเหล่านี้เพื่อเข้าสู่กระแสหลัก
ในขณะที่รายการความท้าทายที่นำเสนอใน IEDM นั้นไม่ได้มีความละเอียดถี่ถ้วน แต่ก็นำเสนออุตสาหกรรมด้วยชุดของการปรับปรุงที่ท้าทายซึ่งต้องทำเพื่อให้ปรับขนาดได้อย่างทันตามข้อกำหนดของระบบที่เปลี่ยนแปลงไปข้อมูลเพิ่มเติมต้องการการประมวลผลและหน่วยความจำที่มากขึ้นและมีหลายวิธีในการแก้ไขปัญหานี้แต่ไม่มีแนวทางเดียวที่จะแก้ปัญหาทั้งหมดได้และเมื่อมีการสร้างข้อมูลมากขึ้นและมีการแนะนำหน่วยความจำประเภทต่างๆมากขึ้นก็จะมีปัญหาเพิ่มเติมที่ยังไม่ได้ค้นพบจาก Bryon Moyer
