Gửi tin nhắn

Tin tức

March 11, 2021

Nhiều dữ liệu hơn, nhiều vấn đề về mở rộng bộ nhớ hơn

Memories thuộc mọi loại đang phải đối mặt với áp lực khi nhu cầu ngày càng tăng về dung lượng lớn hơn, chi phí thấp hơn, tốc độ nhanh hơn và năng lượng thấp hơn để xử lý sự tấn công dữ liệu mới được tạo ra hàng ngày.Cho dù đó là các loại bộ nhớ được thiết lập tốt hay cách tiếp cận mới lạ, cần phải tiếp tục làm việc để tiếp tục mở rộng quy mô khi nhu cầu về bộ nhớ của chúng ta ngày càng tăng với tốc độ ngày càng nhanh.

“Dữ liệu là nền kinh tế mới của thế giới này,” Naga Chandrasekaran, Phó chủ tịch cấp cao về phát triển công nghệ tại Micron cho biết trong một bài thuyết trình toàn thể tại hội nghị IEDM gần đây.

Chandrasekaran đã đưa ra một số ví dụ minh họa cho sự bùng nổ dữ liệu.Chỉ riêng đối với lĩnh vực chăm sóc sức khỏe, ngành công nghiệp này đã tạo ra 153 exabyte dữ liệu vào năm 2013, một con số có thể tăng gấp 15 lần vào năm 2020. Ngoài ra còn có 10 tỷ thiết bị di động đang được sử dụng, mỗi thiết bị trong số đó sẽ tạo ra, lưu trữ, chia sẻ và phát trực tuyến các tập dữ liệu mới .Trên quy mô toàn cầu, tổng lượng dữ liệu được tạo ra mỗi ngày ở mức 2,5 tạ tỷ byte và con số này đang tăng lên nhanh chóng.

Làn sóng dữ liệu này là động lực lớn đằng sau sự tăng trưởng của ngành công nghiệp chip vào năm 2020. Tại Hội nghị chuyên đề về Chiến lược Công nghiệp của SEMI tuần này, các nhà phân tích đã chỉ ra rằng đó là một trong những bất ngờ lớn trong việc tiếp tục tăng trưởng ngành chip, bất chấp kỳ vọng rằng con số sẽ tăng do đại dịch .

Mario Morales, phó chủ tịch chương trình hỗ trợ công nghệ và chất bán dẫn tại IDC cho biết: “Bộ nhớ là một yếu tố quan trọng.“Trí nhớ tăng 10,8%.Nhưng NAND đã tăng trưởng hơn 30% ”.

Tất cả dữ liệu này đều yêu cầu bộ nhớ trong suốt vòng đời của nó và bài thuyết trình IEDM đã đưa ra ba mối quan tâm chính đối với ba loại bộ nhớ: DRAM, NAND flash và các công nghệ mới nổi.

Những thách thức về quy mô DRAM
DRAM vẫn là thành phần quan trọng của hầu hết các giải pháp.Nó đã được chứng minh, rẻ và nói chung là đáng tin cậy.Nhưng nó cũng không hoàn hảo.Ba vấn đề được nhấn mạnh tại IEDM liên quan đến máy cắt hàng, lề cảm giác và ngăn xếp cổng.

“Về phía thiết bị DRAM với việc tiếp tục mở rộng quy mô bên, chúng tôi đang phải đối mặt với những thách thức với búa hàng, một hiện tượng được biết đến rộng rãi trong đó, khi một dòng từ liên tục được giải quyết [nghĩa là nó bị búa], điện tích có xu hướng tích tụ trong các vị trí bẫy tại giao diện, ”Chandrasekaran của Micron nói.“Sau đó, khi các điện tích này được giải phóng, do sự khuếch tán trôi dạt, chúng di chuyển sang các bit lân cận và dẫn đến tăng điện tích.Điều này có thể gây ra cơ chế mất dữ liệu và có thể là một thách thức về bảo mật ”.

Các phí trôi dạt từ từ làm xáo trộn nội dung của các ô lân cận - một chút với mỗi lần truy cập.Sau đủ số lần liên tiếp, các tế bào nạn nhân có thể mất trạng thái trước chu kỳ làm mới tiếp theo.

Wendy Elsasser, kỹ sư xuất sắc tại Arm, đồng ý.Bà nói: “Row hammer vẫn là một mối quan tâm bảo mật quan trọng và nó đã được ghi lại trong nhiều bài báo về cách các bit có thể lật để có quyền truy cập vào các vùng an toàn của bộ nhớ.

Đây không phải là một vấn đề mới, nhưng vấn đề cơ bản ngày càng trở nên tồi tệ hơn theo từng thế hệ.Chandrasekaran cho biết: “Khi chúng tôi chia tỷ lệ DRAM với tỷ lệ phẳng, hiệu ứng tế bào lân cận có thể trở thành hiệu ứng tế bào gần hàng xóm và nhiều tế bào hơn có xu hướng bị ảnh hưởng,” Chandrasekaran nói."Và vấn đề này ngày càng trở nên tồi tệ hơn khi chúng tôi tiếp tục mở rộng quy mô DRAM mỏng hơn."

Bởi vì đây là một vấn đề thách thức để loại bỏ hoàn toàn, các giải pháp đã tập trung vào kiểm soát - phát hành làm mới sớm để thiết lập lại bất kỳ ô bị suy yếu nào hoặc ngăn chặn truy cập thêm sau khi đã đạt đến giới hạn.JEDEC đã thêm một số chế độ và lệnh, tập trung vào cả chip DRAM và bộ điều khiển DRAM, nhưng đó là những biện pháp giảm nhẹ, không phải là giải pháp cho vấn đề gốc rễ.

Logic có thể được thêm vào chính DRAM để phát hiện các cuộc tấn công có thể xảy ra và những người tạo IP bộ nhớ đã và đang làm việc để xây dựng các biện pháp bảo vệ mạnh mẽ hơn.Vadhiraj Sankaranarayanan, giám đốc tiếp thị kỹ thuật cấp cao tại Synopsys cho biết: “Chúng tôi sử dụng logic phần cứng để phát hiện các truy cập như vậy và sau đó chúng tôi chủ động giới hạn quyền truy cập vào các hàng đó.“Nhưng nó không phải là hiệu quả về mặt hiệu suất.Một giải pháp thay thế sẽ là chủ động làm mới các hàng liền kề với những hàng bị đóng đinh. "

Vì lý do hiệu suất và năng lượng, một số trách nhiệm phát hiện các cuộc tấn công đã được đưa vào bộ điều khiển.Sankaranarayanan nói thêm: “Có rất nhiều kỹ thuật có thể được sử dụng trong bộ điều khiển, bởi vì bộ điều khiển là bộ điều phối lưu lượng truy cập vào kênh,” Sankaranarayanan nói thêm.

Về nguyên nhân gốc rễ, các nỗ lực kỹ thuật cải tiến tế bào vẫn tiếp tục, nhưng các tế bào ngày càng hẹp khiến điều này trở thành một thách thức liên tục - đặc biệt khi đi đôi với nhu cầu giữ kích thước khuôn hợp lý và giảm thiểu bất kỳ chi phí xử lý hoặc vật liệu bổ sung nào.

Thách thức tiếp theo khi mở rộng quy mô DRAM liên quan đến việc thu hẹp biên độ khuếch đại cảm biến.Chandrasekaran cho biết: “Biên độ cảm nhận sẽ giảm khi điện dung của tế bào giảm xuống, thúc đẩy chúng tôi tăng tỷ lệ khung hình và giới thiệu các vật liệu mới.“Nhưng ngay cả với vật liệu điện môi lý tưởng nhất - khe hở không khí - thì các đặc tính điện trở / điện dung của dòng bit sẽ bị thách thức khi chúng tôi mở rộng quy mô, bởi vì gần như không có khoảng cách giữa hai dòng bit.Và điều này hạn chế những vật liệu điện môi mà chúng ta có thể đưa vào và cuối cùng thách thức biên độ cảm nhận của chúng ta. "

Ngoài ra, các bóng bán dẫn nhỏ hơn gián tiếp dẫn đến giảm biên độ cảm nhận.Ông nói: “Khi diện tích bóng bán dẫn của bộ khuếch đại cảm nhận bị giảm xuống để chúng ta có thể có được hiệu suất mảng tốt hơn, thì sự biến đổi điện áp ngưỡng sẽ tăng lên.Đây là một thách thức đặc biệt đối với các mạch tương tự và nó sẽ đòi hỏi phải làm việc liên tục để tiếp tục mở rộng quy mô.

Mở rộng quy mô với ngăn xếp cổng chi phí thấp truyền thống của DRAM cũng đang gặp phải các vấn đề về năng lượng và hiệu suất.Chandrasekaran cho biết: “Cổng silicon đa tinh thể CMOS hiệu suất cao với công nghệ oxit cổng silicon oxynitride đã là xu hướng chủ đạo trong ngành công nghiệp DRAM trong nhiều thập kỷ.“Nó được nhiều người biết đến và đó là một giải pháp chi phí rất tốt.Tuy nhiên, nó đang phải đối mặt với một số thách thức trong việc đáp ứng quy mô EOT (độ dày oxit tương đương) cần thiết để đáp ứng công suất và hiệu suất. ”

Một giải pháp thay thế là oxit cổng K cao và CMOS cổng kim loại.Cả hai công nghệ này đều đã phổ biến trong thế giới công nghệ logic và là một lựa chọn hấp dẫn để mở rộng CMOS bộ nhớ.Điều này cũng sẽ cung cấp các đặc tính truyền động tốt hơn, ít biến đổi hơn và phù hợp với bóng bán dẫn.

Nhưng nó không chỉ là một vấn đề đơn giản của các quy trình chuyển đổi.Việc áp dụng công nghệ này trong bộ nhớ sẽ yêu cầu kỹ thuật thiết bị cẩn thận để kích hoạt các thiết bị ngoại vi và cạnh và có khả năng tương thích tốt với tích hợp mảng.Và tất cả những điều này cần phải xảy ra trong khi vẫn giữ được khả năng chi trả đáng mơ ước của DRAM.

Thử thách mở rộng quy mô flash 3D
Hiện tại, việc chuyển từ phẳng sang bộ nhớ flash NAND xếp chồng 3D đã làm giảm bớt vấn đề có quá ít điện tử được lưu trữ bằng cách tăng kích thước ô theo hướng mới.Nhưng khi số lượng lớp tăng lên - đã có hàng trăm chuỗi hiện tại, các bóng bán dẫn CMOS tích hợp và độ bền vật lý sẽ cần được chú ý.

Chuỗi hiện tại đang gắn cờ khi chuỗi trở nên dài hơn.Chandrasekaran cho biết: “Việc tăng tỷ lệ theo chiều dọc chắc chắn sẽ thách thức dòng điện của chuỗi và làm cho hoạt động cảm biến khó khăn hơn,” Chandrasekaran nói.Dòng điện chuỗi phải đi xuống tất cả các lớp và sau đó sao lưu trở lại.Càng nhiều lớp, con đường này càng dài và nhiều điện trở, làm giảm dòng điện.

Một thách thức cụ thể là vật liệu làm kênh là polysilicon, có tính di động giảm và phụ thuộc nhiều vào kích thước hạt và mật độ bẫy.“Kiểm soát kích thước hạt trong các cấu trúc tỷ lệ khung hình cao này là một thách thức lớn.Vì vậy cần phải có những cách lắng đọng và xử lý mới ”, Chandrasekaran nói.

Ngoài ra, vật liệu mới có thể giúp giữ nguyên dòng điện của chuỗi.“Có một số vật liệu mới cũng đang được coi là vật liệu kênh thay thế, có thể sẽ cải thiện dòng điện của dây,” ông nói.“Nhưng chúng cũng cung cấp những thách thức mới về cơ chế độ tin cậy và bản thân các đặc tính của tế bào.”

Việc chia tỷ lệ cao độ theo hàng hơn nữa (theo chiều dọc) cũng có thể hữu ích, nhưng nó làm giảm kích thước của ô, di chuyển trở lại theo hướng lưu trữ quá ít điện tử.Điều này cuối cùng sẽ đạt đến giới hạn và làm giảm lợi thế của kích thước ô lớn hơn trong 3D NAND nếu cao độ dòng chữ tiếp tục mở rộng.Ông nói: “Về lâu dài, bạn sẽ không có đủ không gian cho tế bào và chúng ta sẽ phải đối mặt với những thách thức tương tự như NAND phẳng với hiệu ứng ít electron.

Trong khi đó, cần phải chuyển đổi sang xử lý CMOS tiên tiến hơn cho mạch ngoại vi để nó bắt kịp với công suất và hiệu suất cần thiết.Điều này lặp lại nhu cầu chuyển sang các cổng kim loại cao trong DRAM - dẫn đến nhu cầu về kỹ thuật thiết bị cẩn thận để đáp ứng các yêu cầu của cả ô nhớ và logic.

Và cuối cùng, khi nhiều lớp được thêm vào, sẽ trở thành một thách thức để giữ cho khuôn đủ mỏng cho các ứng dụng cấu hình thấp như điện thoại di động - trong khi vẫn duy trì đủ khối lượng silicon để xử lý mạnh mẽ.Chandrasekaran nói: “Trong nhiều thế hệ tiếp theo, để đáp ứng các yêu cầu về hình thức và gói cho các giải pháp di động, độ dày của các thiết bị hoạt động trên lớp silicon sẽ cao hơn độ dày của chính silicon.“Nó tạo ra những thách thức mới trong việc xử lý back-end và tình trạng cong vênh wafer trở thành một vấn đề lớn.Độ bền khuôn và việc xử lý các tấm wafer sẽ là một thách thức mới thúc đẩy sự phát triển công nghệ thiết bị back-end của chúng tôi. "

Những thách thức về trí nhớ mới nổi
Nhiều công nghệ đang cạnh tranh để trở thành bộ nhớ không bay hơi lớn tiếp theo.Chúng bao gồm bộ nhớ thay đổi pha (PCRAM), RAM điện trở (RRAM / ReRAM), RAM điện trở từ (MRAM) và trước đó trong quá trình phát triển, RAM sắt điện (FeRAM) và RAM điện tử tương quan (CERAM).Mặc dù PCRAM đã đạt được sản xuất trong bộ nhớ xuyên điểm của Intel và STT-MRAM đang chứng kiến ​​khả năng tích hợp ngày càng tăng, không có công nghệ nào trong số này ngày nay có thể khẳng định vị trí độc tôn của điều lớn tiếp theo.Những thách thức chính chủ yếu liên quan đến độ tin cậy và việc sử dụng các vật liệu mới.

MRAM là một trong những ứng viên có nhiều hy vọng hơn trong cuộc đua này.Meng Zhu, giám đốc tiếp thị sản phẩm tại KLA, giải thích: “MRAM là một loại bộ nhớ sử dụng trạng thái từ tính của vật liệu để lưu trữ thông tin, rất khác với các bộ nhớ dựa trên điện tích như DRAM và flash.Mặc dù điều đó nghe có vẻ đơn giản, nhưng MRAM cũng khó xây dựng hơn những ký ức hiện có do các lớp mỏng và các vật liệu khác nhau được sử dụng trong các lớp đó.

Tương tự như vậy, PCRAM dựa vào chalcogenides cho tế bào của nó.RRAM phụ thuộc vào vật liệu cách điện mỏng.Và FeRAM cần vật liệu có thể chuyển sang trạng thái sắt điện.CERAM đã sớm được phát triển nên thành phần của nó vẫn chưa được thiết lập tốt, nhưng có thể có các vật liệu mới và lắp ráp tinh vi.

Câu hỏi đặt ra cho tất cả các loại bộ nhớ mới này là chúng sẽ hoạt động như thế nào theo thời gian và qua hàng triệu thao tác đọc / ghi.Chandrasekaran cho biết: “Nhiều giải pháp bộ nhớ mới nổi hàng đầu phải đối mặt với những thách thức về cơ chế độ tin cậy mới cần được hiểu rõ.

MRAM, đi xa hơn so với một số công nghệ khác, cung cấp một ví dụ điển hình về các loại chi tiết quan trọng.Zhu cho biết: “Cơ chế phá vỡ chính của MRAM là sự bào mòn của hàng rào MgO mỏng của nó."Khi rào cản có các khuyết tật, chẳng hạn như lỗ kim hoặc các điểm yếu của vật liệu, điện trở của đường giao nhau có thể giảm dần theo thời gian và cũng có thể dẫn đến giảm đột ngột điện trở (sự cố)."

Các loại bộ nhớ khác vẫn chưa xác định và quản lý cơ chế độ tin cậy của riêng chúng.Các câu hỏi về độ bền và khả năng lưu giữ dữ liệu vẫn tồn tại và sự phát triển của khả năng kháng tế bào theo thời gian có tầm quan trọng cực kỳ quan trọng - đặc biệt khi các tế bào được xem xét để sử dụng trong bộ nhớ tương tự cho các ứng dụng như máy tính trong bộ nhớ cho máy học.

Để thêm vào những thách thức, nhiều tế bào bộ nhớ mới lạ này nhạy cảm với nhiệt độ và vật liệu của chúng có thể không tương tác tốt với một số loại khí được thiết lập tốt và các hóa chất khác được sử dụng truyền thống trong quá trình bán dẫn.

Chandrasekaran cho biết: “Hầu hết các vật liệu được sử dụng trong các giải pháp bộ nhớ tiên tiến này đều nhạy cảm với nhiệt độ và hóa học.“Điều này đòi hỏi phải áp dụng quy trình xử lý ở nhiệt độ thấp và kiểm soát môi trường xung quanh trong các thiết bị của chúng tôi, đồng thời nó cũng hạn chế việc sử dụng các loại khí và hóa chất nổi tiếng vì chúng có xu hướng phản ứng với vật liệu tế bào và ảnh hưởng đến hiệu suất của chúng.Những hạn chế như vậy sẽ không chỉ gây khó khăn cho việc chế biến những vật liệu này mà còn làm tăng thêm chi phí ”.Việc xác định một dòng chảy vừa sử dụng nhiệt độ thấp hơn vừa ngăn ngừa sự suy thoái tế bào hóa học sẽ là cần thiết để những ký ức này đi vào dòng chính.

Mặc dù danh sách các thách thức được trình bày tại IEDM không có nghĩa là đầy đủ, nhưng nó giới thiệu cho ngành công nghiệp một tập hợp các cải tiến thách thức cần phải được thực hiện để duy trì quy mô với tốc độ có thể theo kịp với các yêu cầu hệ thống đang phát triển.Nhiều dữ liệu hơn yêu cầu xử lý nhiều hơn và nhiều bộ nhớ hơn, và có rất nhiều cách để giải quyết vấn đề này.Nhưng không có cách tiếp cận duy nhất nào giải quyết được tất cả các vấn đề, và khi nhiều dữ liệu được tạo ra và nhiều loại bộ nhớ hơn được giới thiệu, sẽ có những vấn đề khác thậm chí chưa được phát hiện.

Chi tiết liên lạc