Wat is de toekomst van het geheugen? MRAM is de meest veelbelovende

Wat is de toekomst van het geheugen? Intel is ongetwijfeld een van de fabrikanten die het meeste heeft ingezet op toekomstige technologieën. Van Rambus DRAM tot het latere Optane 3DXpoint-geheugen, het heeft zijn verkenning en verlangen naar meer geavanceerde technologieën getoond. Helaas werden deze twee geheugentechnologieën waar Intel hoge verwachtingen van had uiteindelijk door hun eigen handen ter dood veroordeeld, wat mensen doet zuchten.

En welke technologieën zijn na de gordijnoproep van Optane de aandacht van iedereen waard?

Tom Coughlin van Coughlin Associates en Jim Handy van Objective Analysis hebben onlangs een rapport uitgebracht. Twee halfgeleideranalisten voerden een gedetailleerde analyse uit van de vooruitzichten van vijf opkomende opslagtechnologieën, waaruit we wellicht een glimp kunnen opvangen van de technologische ontwikkeling.

Analisten vatten eerst de lessen samen die zijn geleerd uit het falen van Optane. De essentie van de productie van halfgeleiders is dat hoe hoger de output, hoe lager de kosten. Met Optane had Intel de productiecapaciteit kunnen vergroten om de prijzen te verlagen en de verkoop van chips te stimuleren. De initiële productiecapaciteit van Optane was echter niet voldoende, wat betekende dat de kosten van chips hoger waren en dat Optane dit deel van het verlies zelf moest dragen. De verkoop moet blijven stijgen totdat de toename van de productiecapaciteit gerechtvaardigd is en uiteindelijk de kosten van elke chip worden verlaagd, waardoor een substantiële winst wordt gemaakt.

Dit laat ook zien dat schaalvoordelen een grotere rol kunnen spelen in de opkomende geheugenmarkt dan we denken, en het rapport komt tot de conclusie dat het wafervolume bijna 10% moet bedragen van het volume van concurrerende technologieën om kostenpariteit te bereiken.

In het proces van het geleidelijke falen van Optane zijn er vijf opkomende opslagtechnologieën op het toneel verschenen, waaronder MRAM, faseveranderingsgeheugen (PCM), ferro-elektrisch RAM (FERAM), resistief geheugen-RAM (ReRAM) en NRAM/UltraRAM. Er wordt verwacht dat ze de uitbreidingsbeperkingen van NAND en NOR zullen overtreffen en minder stroom zullen verbruiken dan DRAM en SRAM.

FRAM/FeRAM

FRAM, uitgevonden in 1952, is het oudste opkomende geheugen. Tegenwoordig zijn er meer dan 4 miljard FRAM-chips in verschillende apparaten geïnstalleerd. Hoewel de naam ijzer bevat, gebruikt FRAM geen ijzer. Het heeft alleen een hysteresislus die lijkt op ferromagnetisme, en met deze hysteresislus kan het gegevens opslaan.

Het principe van FRAM is om de unieke fysieke eigenschappen van bepaalde kristalroosters te benutten. In ferro-elektrische materialen kunnen atomen een van de twee stabiele posities binnen het rooster innemen. Het elektrische veld verplaatst de mobiele atomen binnen het rooster naar een van de twee stabiele posities, afhankelijk van de polariteit van het elektrische veld en een fysieke eigenschap (misschien capaciteit of weerstand), afhankelijk van de positie van het gevangen atoom.

Er zijn momenteel veel fabrikanten die nog steeds FRAM produceren. Infineon produceert bijvoorbeeld voornamelijk discrete FRAM-chips, terwijl Texas Instruments en Fujitsu de technologie in MCU's inbedden. Fujitsu integreert FRAM ook in metrokaartjes. De belangrijkste reden voor dit gebruik is dat het schrijfenergieverbruik van FRAM relatief het laagst is onder de opslagtechnologieën.

Waarom duurde het zo lang voordat FRAM werd uitgevonden, waarom is het nog steeds onbekend nadat er miljarden chips zijn geproduceerd, en wordt het nog steeds vermeld als een opkomende opslagtechnologie?

De reden is dat FRAM voorheen voornamelijk gebaseerd was op loodzirkonaattitanaat (PZT) en strontiumbismuth-tantalaat (SBT), maar beide materialen bevatten lood of bismut, wat vervuiling van de fabriek zal veroorzaken, waardoor de productiecapaciteit wordt beperkt. Gelukkig werd in 2011 ontdekt dat hafniumoxide (HfO) onder bepaalde omstandigheden ferro-elektrische eigenschappen heeft. HfO is de basis van het poortdiëlektricum met hoge K dat in FinFET wordt gebruikt. Het lost niet alleen het probleem van de productiecapaciteit op, maar veroorzaakt ook geen vervuiling. Hoewel HfO officieel niet voor de productie wordt gebruikt, zijn de toekomstperspectieven dus zeer rooskleurig.

Vergeleken met flash-geheugen omvatten de voordelen van FRAM een lager energieverbruik, hogere schrijfsnelheden en een hoger maximaal lees-/schrijfvermogen. FRAM heeft een gegevensretentietijd van meer dan 10 jaar bij +85°C (tot tientallen jaren bij lagere temperaturen), maar het heeft ook zijn eigen nadelen: de opslagdichtheid is veel lager dan die van flashgeheugenapparaten, de opslagcapaciteit is beperkt en de kosten zijn hoger. Vanaf 2021 bedraagt de opslaggrootte (dichtheid) van chips die door verschillende leveranciers worden verkocht niet meer dan 16 MB.

Momenteel wordt FRAM nu via CMOS-technologie in chips ingebed, waardoor MCU's hun eigen FRAM-geheugen kunnen hebben, wat minder fasen bevat dan nodig is om flash-geheugen in MCU-chips in te bedden, waardoor de kosten aanzienlijk worden verlaagd.

PCM

Dankzij Intel's lancering van Optane-geheugen is faseveranderingsgeheugen (PCM of PRAM) lange tijd de omzetleider geweest onder de opkomende geheugentechnologieën. Al in 1970 schreven Gordon Moore, Ron Neale en D-L Nelson van Intel samen een artikel over het 256-bit PCM-prototype. De geschiedenis van onderzoek en ontwikkeling is lang en doet niet onder voor andere opslagtechnologieën.

De oorsprong van PCM gaat terug tot 1960, toen Ovshinsky het Energy Conversion Laboratory oprichtte om amorfe materialen en hun faseveranderingskarakteristieken te bestuderen. Het laboratorium werd in 1964 omgedoopt tot Energy Conversion Devices (ECD), en een van Ovshinsky's vele innovaties was het naar hem vernoemde Ovonics faseveranderingsgeheugen. Intel werkte uiteindelijk samen met ECD om de intellectuele eigendomslicentie voor Ovonics faseveranderingsgeheugen te verkrijgen, en bracht 3DXPointPCM officieel uit in 2015.

Naast Intel heeft STMicroelectronics microcontrollers (MCU's) met PCM-programmageheugen geproduceerd, en opslagfabrikanten zoals Samsung en Micron produceerden meer dan tien jaar geleden ook PCMNOR-flashgeheugenvervangingsproducten in massa, maar het bestaan van deze producten was vrij kort.

De basis van PCM is een glasmateriaal dat bovenop een standaard CMOS-logica-chip wordt afgezet. Dit materiaal verandert van toestand afhankelijk van de kenmerken van het glas. Het glas verandert van een kristallijne toestand naar een amorfe toestand, respectievelijk overeenkomend met een geleidende of resistieve toestand. Er zijn twee manieren om de opslagcapaciteit te vergroten: de ene is driedimensionaal stapelen, waar Intel en Micron zich op richten, en de andere is multi-value technologie, waarin IBM baanbrekende vooruitgang heeft geboekt.

Vergeleken met flashgeheugen heeft PCM veel voordelen, zoals een sterke inbedding, uitstekende herhaalbaarheid, goede stabiliteit en compatibiliteit met CMOS-processen. In feite is er tot nu toe geen duidelijke fysieke limiet gevonden voor PCM. Wanneer de dikte van het faseveranderingsmateriaal wordt teruggebracht tot 2 nm, kan het apparaat nog steeds een faseverandering ondergaan.

Het grootste voordeel van PCM is dat het een kruispuntconfiguratie kan gebruiken om gegevens op te slaan op het snijpunt van twee orthogonale geleidende lijnen, wat het stapelen vergemakkelijkt, waardoor de chipgrootte en productiekosten lager zijn dan bij welke volwassen technologie dan ook, behalve 3D NAND.

Maar PCM heeft ook tekortkomingen die niet kunnen worden genegeerd. Warmte is nog steeds een groot probleem. Hoewel het geheugen thermisch stabiel is en toepassingen bij hoge temperaturen aankan, kan de warmte die wordt gegenereerd bij het programmeren van een cel de aangrenzende cellen beïnvloeden. Lokale verwarming kan gaten boven de accu veroorzaken. Bovendien geeft het vermogen van flash-geheugen om meerdere bits per cel op te slaan en te detecteren, het een voordeel op het gebied van opslagcapaciteit ten opzichte van PCM.

De afgelopen jaren is er grote belangstelling geweest voor de toepassing van PCM in in-memory computing. Het idee is om computertaken, zoals matrix-vectorvermenigvuldigingsbewerkingen, in de geheugenarray zelf uit te voeren door gebruik te maken van de analoge opslagmogelijkheden van PCM en de circuitwetten van Kirchhoff. In 2021 bracht IBM een volwassen geheugencomputerkern uit, gebaseerd op PCM op meerdere niveaus, geïntegreerd in het 14 nm CMOS-technologieknooppunt.

MRAM

Magnetic RAM (MRAM) is een technologie gebaseerd op de fysieke principes van alle magnetische opnames (harde schijven, tapes, enz.), maar de toepassingsmethode verwijdert mechanische elementen. Vanaf nu is Everspin, een bedrijf voortgekomen uit de onderzoeksresultaten van Motorola en Freescale, de leider van deze technologie, met een bedrijfsresultaat van 44 miljoen dollar in 2021.

Bovendien hebben Avalanche en Numem zich onlangs aangesloten bij de productie van MRAM, en hebben gieterijen zoals TSMC, GlobalFoundries en Samsung ingebedde MRAM-processen gelanceerd. Momenteel worden MRAM-processen gebruikt in SoC's voor IoT-toepassingen en micro-energieapparaten.

Er zijn veel soorten MRAM, maar hun structuren lijken erg op elkaar. Ze gebruiken allemaal kobalt- en magnesiumlagen als een combinatie van gigantische magnetoweerstandssensoren (GMR) en magnetische schakelelementen. Ze worden ook veel gebruikt in lees-/schrijfkoppen voor harde schijven. Hun belangrijkste voordeel is snelheid. Veel mensen hebben zich voorgesteld dat MRAM in de toekomst het snelle SRAM kan vervangen.

Na jaren van onderzoek is MRAM onderverdeeld in verschillende typen en routes: STT-MRAM lost effectief het probleem op van SRAM-geheugen dat energie "lekt" wanneer het inactief is; SOT-MRAM verbetert de duurzaamheid en leesstabiliteit van het apparaat aanzienlijk, waardoor de inherente openheid in STT-MRAM-apparaten wordt geëlimineerd. Uitschakelvertraging; VCMA-MRAM verlaagt het stroomverbruik van STT-MRAM verder, maar de schrijfsnelheid is relatief laag; VG-SOT combineert de voordelen van de eerste twee, maar het productieproces is complexer en de functie moet worden geverifieerd; (VG-)SOTMRAM heeft een groter potentieel in gesimuleerde geheugencomputers...

In de loop der jaren zijn er verschillende soorten MRAM-geheugenapparaten ontstaan, met compromissen tussen schrijfsnelheid, betrouwbaarheid, energieverbruik en oppervlakteverbruik, met totaal verschillende toepassingen, afhankelijk van specifieke kenmerken, zoals STT-MRAM voor embedded flash en last-level cache, SOT-MRAM voor cache op een lager niveau, VCMA-MRAM voor toepassingen met ultralaag energieverbruik, en ten slotte VG-MRAM. VG-SOTMRAM fungeert als de ultieme uniforme cache en heeft ook de voordelen van in-memory computing.

In MRAM worden gegevens doorgaans opgeslagen in een "vrije" laag waarvan het magnetisme kan worden gewijzigd en vergeleken met een "vaste" laag die tijdens de productie is ingesteld, en de GMR-sensor is verantwoordelijk voor het detecteren van het verschil tussen de twee. Het grootste verschil tussen de meeste MRAM-varianten is de manier waarop gegevens worden geschreven. Alle MRAM gebruikt ten minste één transistor per bitcel, terwijl veel MRAM twee transistors gebruikt en aanzienlijke stroom verbruikt, waardoor de productie van de technologie minder kosteneffectief is dan andere technologieën.

MRAM heeft SRAM-compatibele lees-/schrijfcycli, waardoor het bijzonder geschikt is voor toepassingen die gegevens met minimale latentie moeten opslaan en ophalen. Het combineert met succes lage latentie, laag stroomverbruik, oneindige persistentie, schaalbaarheid en niet-vluchtigheid.

Als magnetische technologie is MRAM inherent stralingsbestendig, waardoor het populair is voor ruimtevaarttoepassingen die ook minder prijsgevoelig zijn. Bovendien heeft MRAM een plaats gevonden in bedrijfsopslag, zoals IBM's flashgeheugenkernmodules, waarbij Everspin's MRAM wordt gebruikt als buffer in het geval van onverwachte stroomuitval.

MRAM heeft ook brede perspectieven in industriële toepassingen. Analisten zeiden dat industriële toepassingen zeer snelle schrijfmogelijkheden vereisen en niet-vluchtige opslag vereisen. NAND-flashgeheugen, NOR-flashgeheugen en EEPROM schrijven echter allemaal erg traag en verbruiken veel stroom. SRAM met extra batterijen moet de batterij om de paar jaar vervangen. MRAM lijkt daarentegen thuis te zijn in deze scenario's.

De auto-industrie is een van de belangrijke redenen waarom MRAM zo populair is. Als gevolg van de toenemende vraag naar MCU's en de stijgende kosten van flash-geheugen zijn veel leveranciers begonnen over te stappen van flash-geheugen naar eMRAM. In 2022 kondigde Renesas Electronics de lancering aan van STT-MRAM-testchips. Het zei dat MRAM, vervaardigd met BEOL, vergeleken met flashgeheugen vervaardigd met FEOL voordelen heeft bij processen onder 22 nm, omdat het compatibel is met bestaande CMOS-logische procestechnologie en minder extra maskerlagen vereist.

IBM is optimistischer. "Over ongeveer drie jaar kun je elke nieuwe auto op straat aanwijzen en zeggen dat die auto eMRAM bevat", zegt Daniel Worledge, vooraanstaand onderzoeker en senior manager bij IBM. "Er zit geen ingebouwde flash meer in de geavanceerde knooppunten, alle gieterijen zijn gestopt met de ontwikkeling ervan en de overgangsperiode is 22 nm en 28 nm, afhankelijk van de gieterij."

HerRAM/RRAM

In 1971 schreef Leon Chua van de University of California, Berkeley een theoretisch artikel met de titel "Memristor – The Missing Circuit Element." Het artikel beschrijft een vierde passief elektronisch apparaat, een memristor, dat de stroom die door zichzelf vloeit kan regelen op basis van de hoeveelheid lading die eerder door het apparaat vloeide. Op dit punt is memristor slechts een theorie, een hypothetisch apparaat dat voldoet aan de symmetrievereisten van de vergelijkingen die het gedrag beschrijven van drie andere passieve elektronische componenten: weerstanden, condensatoren en inductoren.

Bijna veertig jaar later, in 2008, maakte HP Labs bekend dat het met succes een memristor had gemaakt met behulp van titaniumdioxide. Memristor is een niet-binair apparaat dat kan worden gebruikt om analoge of digitale gegevens op te slaan. Destijds voorspelden sommige mensen dat DRAM op het punt stond te sterven en dat memristor vervangen zou worden in de vorm van resistief geheugen of RRAM. Destijds verklaarde HP dat het RRAM zou gebruiken in zijn aankomende maancomputer.

Maar in 2015 kwam HP terug op zijn besluit en zei dat het DRAM zou gebruiken in plaats van memristors in zijn maancomputer. Vijftien jaar nadat HP het succes van de memristorproductie aankondigde, heeft de RRAM-revolutie nog steeds niet plaatsgevonden, en het lijkt er ook niet op dat dit binnenkort zal gebeuren.

Net als MRAM zijn er verschillende varianten van resistief RAM (ReRAM of RRAM), die allemaal worden gemaakt door speciale materialen bovenop de standaard CMOS-logica te plaatsen.

Het ReRAM-gieterijproces wordt voornamelijk ondersteund door TSMC, Winbond en GlobalFoundries. Renesas (door de overname van Adesto), Fujitsu, Microchip en Sony produceren ReRAM als onafhankelijke producten. Nuvoton Technology gebruikt het in microcontrollers. Momenteel ontwikkelen veel bedrijven over de hele wereld ReRAM-processen.

Het technische principe van ReRAM is dat in een resistieve RAM-cel elektrische stroom door twee draden wordt geleid om te detecteren of de weerstand van de bitcel hoog of laag is. Typisch wordt de toestand van de cel veranderd door de spanning in positieve of negatieve richting te verhogen, waardoor de weerstand van de cel wordt verhoogd of verlaagd. Dit wordt bereikt door geleidende elementen zoals metaalionen of zuurstofvacatures in de brug te verplaatsen, of deze elementen uit de bestaande brug te verwijderen. Je zou kunnen stellen dat de meeste andere opkomende geheugentechnologieën (PCM, MRAM en FRAM) in de categorie ReRAM vallen, omdat ze ook variabele weerstanden gebruiken om de toestand van geheugenbits aan te geven.

Het belangrijkste kenmerk van ReRAM is dat het, net als PCM, kan worden ingebouwd in kruispuntcellen voor stapeling, en omdat lineaire waarden op een enkele bitcel kunnen worden opgeslagen, kan het in de toekomst ook in neurale netwerken worden gebruikt.

Het belangrijkste voordeel van ReRAM is dat het minder stroom verbruikt en niet veel energie hoeft te verbruiken om de opslagstatus te behouden, zoals traditionele opslagapparaten. Sommige RRAM-materialen hebben ook meerdere weerstandstoestanden, waardoor het mogelijk wordt om meerdere gegevensbits in één opslageenheid op te slaan, waardoor de opslagdichtheid toeneemt. Het heeft echter geen voordelen ten opzichte van andere opkomende technologieën in termen van willekeurige lees- en schrijfsnelheid en duurzaamheid.

Door de jaren heen is het aantal patentaanvragen met betrekking tot ReRAM-technologie toegenomen. Vooral na 2010 is het aantal octrooiaanvragen aanzienlijk toegenomen. Samsung heeft momenteel het grootste aantal gerelateerde patenten, gevolgd door Micron en SK Hynix. Grote opslagfabrikanten hebben interesse getoond in deze technologie.

NRAM/UltraRAM

NRAM is de eigen computergeheugentechnologie van Nantero. Het is een niet-vluchtig willekeurig toegankelijk geheugen gebaseerd op de locatie van koolstofnanobuisjes die op een chipachtig substraat zijn afgezet. In theorie zorgt het kleine formaat van de nanobuisjes voor een geheugen met een zeer hoge dichtheid.

Nantero heeft bijna twintig jaar gewerkt aan NRAM, dat anders werkt dan andere geheugenapparaten. Het is gemaakt van lagen koolstofnanobuisjes die zijn gegroeid uit katalysatordeeltjes, meestal ijzer. Elke NRAM-"cel" of transistor is samengesteld uit een netwerk van koolstofnanobuisjes en werkt volgens hetzelfde principe als andere niet-vluchtige RAM-technologieën. Koolstofnanobuisjes die niet met elkaar in contact staan, vertonen een hoge weerstandstoestand, die de "uit"- of "0"-toestand vertegenwoordigt; wanneer de koolstofnanobuisjes met elkaar in contact zijn, vertonen ze een lage weerstandstoestand, wat de "aan" of "1" toestand vertegenwoordigt.

Vergeleken met NAND en DRAM heeft NRAM een lager energieverbruik, bijna geen energieverbruik in de standby-modus, een hogere schrijfsnelheid en onbeperkte schaalbaarheid. FRAM kan de 100 nanometer niet doorbreken, EEPROM is over het algemeen meer dan 60 nanometer, NORFlash is meer dan tien nanometer en NRAM kan worden opgevoerd tot 5 nanometer, en er is relatief veel ruimte voor toekomstige uitbreiding.

Een ander groot voordeel van NRAM ten opzichte van traditioneel flashgeheugen is de duurzaamheid ervan, waardoor vrijwel onbeperkte lees- en schrijfcycli mogelijk zijn. Ze zijn ook bestand tegen hitte, kou, elektromagnetische interferentie en straling. Nantero zei dat ze duizenden jaren bij 85 graden Celsius kunnen worden bewaard en dat ze al tien jaar bij 300 graden Celsius zijn getest zonder ook maar een enkel stukje gegevens te verliezen.

NRAM kan niet alleen worden gebruikt voor gegevensopslag, maar ook voor programma-opslag. Deze functie is zeer aantrekkelijk voor de markt voor consumentenelektronica. Momenteel lopen er productontwikkelingsprojecten voor standalone NRAM en embedded NRAM. Standalone NRAM wordt nagestreefd voor drie doeleinden: voor DRAM-vervanging, voor NAND-flashvervanging en voor toepassingen waarbij noch DRAM, noch NAND-flash adresseerbaar is. Op het gebied van ingebed geheugen wordt er voortdurend gewerkt aan het gebruik van ingebed NRAM ter vervanging van ingebed niet-vluchtig geheugen, inclusief ingebed flashgeheugen of ingebed RAM (SRAM of DRAM).

In 2016 maakten Fujitsu en USJC bekend dat ze een consensus hadden bereikt met Nantero en toestemming hadden gekregen voor NRAM-technologie om de ontwikkeling, het ontwerp en de productie van NRAM uit te voeren. De 16Mbit DDR3SPI-interfaceproducten van Fujitsu, de eerste generatie NRAM-producten, zullen naar verwachting rond 2021 worden gelanceerd.

Samenvatten

Met de opkomst van AI, het Internet der Dingen en andere terreinen wordt de toepassing van big data steeds wijdverspreider, en deze nieuwe terreinen hebben aanleiding gegeven tot nieuwe eisen aan opslag. Hoge leessnelheid, hoge opslagdichtheid, lange levensduur, lage spanning en kleinere afmetingen zijn momenteel de meest urgente behoeften geworden, maar de huidige verschillende soorten opslag zijn niet langer toereikend.

Dit biedt ook nieuwe kansen voor de bovengenoemde vijf opslagtechnologieën. Ongeacht welke opslagtechnologie, elk heeft zijn eigen uniekheid en heeft enorme voordelen ten opzichte van flash-geheugen. Onder hen is MRAM de meest optimistische technologie onder halfgeleideranalisten geworden vanwege de rijke typen, brede toepassingsmogelijkheden en duidelijke alomvattende voordelen.

Maar dit betekent niet dat MRAM een zekere winnaar is. Met de ontwikkeling en toepassing van andere opslagtechnologieën bestaat de mogelijkheid om deze te vervangen. Het valt nog te bezien welke opslagtechnologie de toekomst heeft.

toegang:

Jingdong-winkelcentrum