Να στείλετε μήνυμα

Ειδήσεις

March 11, 2021

Περισσότερα στοιχεία, περισσότερα προβλήματα μνήμη-ξελεπιάσματος

Οι μνήμες όλων των τύπων αντιμετωπίζουν τις πιέσεις όπως οι απαιτήσεις αυξάνονται για τη μεγαλύτερη ικανότητα, το χαμηλότερο κόστος, τις γρηγορότερες ταχύτητες, και τη χαμηλότερη δύναμη να αντιμετωπιστεί η επίθεση των νέων στοιχείων που παράγονται καθημερινά. Εάν είναι καθιερωμένοι τύποι μνήμης ή νέες προσεγγίσεις, η συνεχής εργασία απαιτείται για να συνεχίσει να προωθήσει όπως η ανάγκη μας για τη μνήμη αυξάνεται σε έναν επιταχύνοντας ρυθμό.

«Το στοιχείο είναι η νέα οικονομία αυτού του κόσμου,» εν λόγω Naga Chandrasekaran, ανώτερος αντιπρόεδρος της ανάπτυξης τεχνολογίας στο μικρό σε μια πλήρη παρουσίαση στην πρόσφατη διάσκεψη IEDM.

Το Chandrasekaran έδωσε μερικά παραδείγματα που επεξηγούν την έκρηξη στα στοιχεία. Για την υγειονομική περίθαλψη μόνο, η βιομηχανία παρήγαγε 153 exabytes των στοιχείων το 2013, ένας αριθμός που πιθανός αυξήθηκε κοντά 15 φορές το 2020. Επίσης υπάρχουν 10 δισεκατομμύριο κινητές συσκευές σε λειτουργία, κάθε μια από τις οποίες θα παραγάγει, θα αποθηκεύσει, θα μοιραστεί και θα ρεύσει τα νέα σύνολα στοιχείων. Σε παγκόσμια κλίμακα, το συνολικό ποσό των στοιχείων που παράγονται κάθε μέρα είναι κάπου σε παραγγελία 2,5 quintillion των ψηφιολέξεων, και ο αριθμός αυξάνεται γρήγορα.

Αυτό το κύμα των στοιχείων ήταν μεγάλος οδηγός πίσω από την αύξηση της βιομηχανίας τσιπ το 2020. Στο ΗΜΙ συμπόσιο στρατηγικής βιομηχανίας αυτή την εβδομάδα, οι αναλυτές έδειξαν αυτόν ως μια από τις μεγάλες εκπλήξεις στη συνεχή αύξηση βιομηχανίας τσιπ, παρά τις προσδοκίες που οι αριθμοί θα τοποθετούσαν σε δεξαμενή λόγω της πανδημίας.

«Η μνήμη ήταν ένα σημαντικό στοιχείο,» εν λόγω ηθικά του Mario, αντιπρόεδρος προγράμματος για τη διευκόλυνση των τεχνολογιών και των ημιαγωγών σε IDC. «Η μνήμη αυξήθηκε 10,8%. Αλλά το NAND αυξήθηκε περισσότερο από 30%.»

Όλο αυτό το στοιχείο απαιτεί τη μνήμη καθ' όλη τη διάρκεια του κύκλου της ζωής του, και η παρουσίαση IEDM σχεδίασε τρεις αρχικές ανησυχίες για τρεις κατηγορίες μνήμης: DRAM, λάμψη NAND, και νέες τεχνολογίες.

Προκλήσεις ξελεπιάσματος DRAM
Το DRAM παραμένει ένα συστατικό κλειδί των περισσότερων λύσεων. Αποδεικνύεται, φτηνός, και γενικά αξιόπιστος. Αλλά είναι επίσης κάθε άλλο παρά ιδανικό. Τα τρία ζητήματα που αναδεικνύονται σε IEDM εξετάζουν rowhammer, περιθώριο αίσθησης, και ο σωρός πυλών.

«Από την πλευρά συσκευών DRAM με το συνεχές πλευρικό ξελέπιασμα, αντιμετωπίζουμε τις προκλήσεις με το σφυρί σειρών, που είναι ένα ευρέως γνωστό φαινόμενο όπου, όταν εξετάζεται συνεχώς μια γραμμή λέξης [δηλαδή παίρνει σφυρηλατημένη], δαπάνη τείνουμε να συσσωρεύσουμε στις περιοχές παγίδων στη διεπαφή,» εν λόγω Chandrasekaran του μικρού. «Αργότερα, όταν απελευθερώνονται αυτές οι δαπάνες, λόγω της διάχυσης κλίσης, μεταναστεύουν στο γειτονικό υπεύθυνο κέρδος κομματιών και αποτελεσμάτων. Αυτό μπορεί να προκαλέσει έναν μηχανισμό στοιχείο-απώλειας και μπορεί να είναι μια πρόκληση ασφάλειας.»

Οι παρασύρουσες δαπάνες ενοχλούν αργά το περιεχόμενο των γειτονικών κυττάρων – λίγο με κάθε πρόσβαση. Μετά από αρκετούς χρόνους στη γρήγορη διαδοχή, τα κύτταρα θυμάτων μπορούν να χάσουν το κράτος τους μπροστά από τον επόμενο κύκλο ανανέωσης.

Wendy Elsasser, διακεκριμένος μηχανικός στο βραχίονα, συμφωνηθε'ντα. Το «σφυρί υπόλοιπου κόσμου παραμένει ένα σημαντικό πρόβλημα ασφαλείας, και έχει τεκμηριωθεί στα πολλαπλάσια έγγραφα για το πώς τα κομμάτια μπορούν να κτυπήσουν για να αποκτήσουν πρόσβαση στις ασφαλείς περιοχές της μνήμης,» αυτή είπε.

Αυτό δεν είναι ένα νέο πρόβλημα, αλλά το βασικό ζήτημα παίρνει χειρότερα με κάθε γενεά. «Δεδομένου ότι ξελεπιάζουμε το DRAM με το επίπεδο ξελέπιασμα, η γειτονική επίδραση κυττάρων μπορεί να γίνει μια επίδραση κυττάρων κοντινός-γειτόνων, και περισσότερα κύτταρα τείνουν να πάρουν προσκρουμένα,» εν λόγω Chandrasekaran. «Και αυτό το πρόβλημα παίρνει ακριβώς χειρότερα δεδομένου ότι συνεχίζουμε να ξελεπιάζουμε τα λεπτύτερα DRAM.»

Επειδή αυτό είναι ένα προκλητικό πρόβλημα για να αποβάλει εντελώς, οι λύσεις έχουν εστιάσει στον έλεγχο – είτε εκδίδοντας νωρίς αναζωογονήστε για να επανεγκαθιδρύσετε οποιαδήποτε αποδυναμωμένα κύτταρα είτε παρεμπόδιση της περαιτέρω πρόσβασης αφότου έχει επιτευχθεί ένα όριο. JEDEC έχει προσθέσει μερικούς τρόπους και εντολές, που εστιάζουν και στο τσιπ DRAM και στον ελεγκτή DRAM, αλλά εκείνοι είναι μετριασμοί, όχι μια λύση στο ζήτημα ρίζα-αιτίας.

Η λογική μπορεί να προστεθεί το ίδιο στο DRAM για να ανιχνεύσει τις πιθανές επιθέσεις, και οι δημιουργοί μνήμης IP έχουν εργαστεί για να ενσωματώσουν την ισχυρότερη προστασία. «Ξοδεύουμε τη λογική υλικού για να ανιχνεύσουμε τέτοιες προσβάσεις, και έπειτα περιορίζουμε φιλενεργά την πρόσβαση σε εκείνες τις σειρές,» σημείωσε Vadhiraj Sankaranarayanan, ανώτερο τεχνικό Διευθυντής μάρκετινγκ σε Synopsys. «Αλλά δεν είναι αυτό απόδοση-αποτελεσματικό. Μια εναλλακτική λύση θα ήταν να αναζωογονηθούν φιλενεργά οι σειρές δίπλα σε εκείνες τις σειρές που παίρνουν σφυρηλατημένες.»

Για λόγους απόδοσης και δύναμης, μερικές από την ευθύνη για τις επιθέσεις έχουν τεθεί στον ελεγκτή. «Υπάρχουν ποικίλες τεχνικές που μπορούν να υιοθετηθούν στον ελεγκτή, επειδή ο ελεγκτής είναι αυτός που ενορχηστρώνει την κυκλοφορία που πηγαίνει επάνω στο κανάλι,» Sankaranarayanan προστιθέμενο.

Όσον αφορά στην πρωταρχική αιτία, οι προσπάθειες εφαρμοσμένης μηχανικής κύτταρο-βελτίωσης συνεχίζονται, αλλά τα πάντα-στενότερα κύτταρα κάνουν αυτό μια συνεχιμένος πρόκληση — ειδικά όταν συνδέεται με την ανάγκη να κρατηθούν τα μεγέθη κύβων λογικά και να ελαχιστοποιηθούν οποιεσδήποτε συμπληρωματικές δαπάνες επεξεργασίας ή υλικών.

Η επόμενη πρόκληση όταν περιλαμβάνει το ξελεπιάζοντας DRAM το στενεύοντας περιθώριο αίσθηση-ενισχυτών. Το «περιθώριο αίσθησης θα μειώσει πότε μειώσεις ικανότητας κυττάρων, που οδηγούν μας για να αυξήσει το λόγο διάστασης και να εισαγάγει τα νέα υλικά,» εν λόγω Chandrasekaran. «Αλλά ακόμη και με το ιδανικότερο διηλεκτρικό υλικό – ένα κενό αέρα – τα χαρακτηριστικά αντίστασης/ικανότητας κομμάτι-γραμμών θα προκληθούν καθώς ξελεπιάζουμε, επειδή δεν υπάρχει σχεδόν κανένα διάστημα μεταξύ των ασήμαντων γραμμών. Και αυτό περιορίζει ποια διηλεκτρικά υλικά μπορούμε να υποβάλουμε και προκαλούμε τελικά το περιθώριο αίσθησής μας.»

Επιπλέον, οι μικρότερες κρυσταλλολυχνίες οδηγούν έμμεσα στο μειωμένο περιθώριο αίσθησης. «Ως τομέας κρυσταλλολυχνιών της αίσθησης οι ενισχυτές παίρνουν μειωμένοι έτσι ώστε μπορούμε να πάρουμε την καλύτερη αποδοτικότητα σειράς, η παραλλαγή όριο-τάσης θα αυξηθεί,» είπε. Αυτό είναι μια ιδιαίτερη πρόκληση για τα αναλογικά κυκλώματα, και θα απαιτήσει τη συνεχή εργασία για το συνεχές ξελέπιασμα.

Το ξελέπιασμα με τον παραδοσιακό χαμηλού κόστους σωρό πυλών του DRAM τρέχει επίσης στα ζητήματα δύναμης και απόδοσης. «Μια υψηλής απόδοσης πύλη πολυκρυσταλλικός-πυριτίου CMOS με oxynitride πυριτίου την τεχνολογία πύλη-οξειδίων είναι τάση στη βιομηχανία DRAM για δεκαετίες,» εν λόγω Chandrasekaran. «Είναι καλά - γνωστός, και είναι μια πολύ καλή λύση δαπανών. Εντούτοις, αντιμετωπίζει διάφορες προκλήσεις απαραίτητο σε συνεδρίαση EOT (ισοδύναμο πάχος οξειδίων) ξελεπιάζοντας για να συναντήσει τη δύναμη και την απόδοση.»

Μια εναλλακτική λύση είναι το οξείδιο και η μέταλλο-πύλη CMOS πυλών υψηλός-Κ. Και οι δύο τεχνολογίες είναι κοινές στον κόσμο τεχνολογίας λογικής και είναι μια ελκυστική επιλογή για το ξελέπιασμα μνήμης CMOS. Αυτό επίσης θα παράσχει την καλύτερη κίνηση, τη λιγότερη παραλλαγή, και τα ταιριάζοντας με χαρακτηριστικά κρυσταλλολυχνιών.

Αλλά είναι όχι μόνο απλό θέμα των διαδικασιών μετατροπής. Η υιοθέτηση αυτής της τεχνολογίας στη μνήμη θα απαιτήσει την προσεκτική εφαρμοσμένη μηχανική συσκευών για να επιτρέψει τις συσκευές περιφέρειας και ακρών και να έχει την καλή συμβατότητα με την ολοκλήρωση σειράς. Και όλο αυτό πρέπει να συμβεί κρατώντας τα DRAM η δυνατότητα προσέγγισης.

τρισδιάστατες προκλήσεις ξελεπιάσματος λάμψης
Η κίνηση από επίπεδη σε τρισδιάστατη συσσωρευμένη αστραπιαία σκέψη NAND, προς το παρόν, έχει ανακουφίσει το ζήτημα της κατοχής πολύ λίγων αποθηκευμένων ηλεκτρονίων με την αύξηση του μεγέθους κυττάρων στο νέο προσανατολισμό. Αλλά ως αριθμός στρωμάτων αυξάνεται — ήδη στις εκατοντάδες — οι τρέχουσες, ενσωματωμένες CMOS κρυσταλλολυχνίες σειράς, και φυσική ευρωστία θα χρειαστούν την προσοχή.

Το ρεύμα σειράς σημαιοστολίζει καθώς η σειρά γίνεται μακρύτερη. «Η αύξηση του κάθετου ξελεπιάσματος θα προκαλέσει σίγουρα το ρεύμα σειράς και θα καταστήσει τη λειτουργία αντίληψης δυσκολότερη,» εν λόγω Chandrasekaran. Το ρεύμα σειράς πρέπει να ταξιδεψει όλο τον τρόπο κάτω μέσω των στρωμάτων και έπειτα της υποστήριξης πάλι. Τα περισσότερα στρώματα, ο μακρύτερος και ο πιό ανθεκτικός αυτή η πορεία είναι, χαμηλώνοντας το ρεύμα.

Μια ιδιαίτερη πρόκληση είναι το γεγονός ότι το υλικό καναλιών είναι πολυπυρίτιο, με μειωμένη κινητική ικανότητα και μια ισχυρή εξάρτηση στο μέγεθος σιταριού και την πυκνότητα παγίδων. «Ο έλεγχος του μεγέθους σιταριού σε αυτή την αναλογία δομές υψηλός-πτυχής είναι μια μεγάλη πρόκληση. Οι τόσο νέοι τρόποι της απόθεσης και της επεξεργασίας απαιτούνται,» εν λόγω Chandrasekaran.

Εναλλακτικά, τα νέα υλικά μπορούν να βοηθήσουν να κρατήσουν τρέχοντα άθικτο σειράς. «Υπάρχουν διάφορα νέα υλικά που θεωρούνται επίσης ως εναλλακτικά υλικά καναλιών, τα οποία θα βελτιώσουν πιθανώς το ρεύμα σειράς,» αυτός είπαν. «Αλλά παρέχουν επίσης τις νέες προκλήσεις από την άποψη των μηχανισμών αξιοπιστίας και τα ίδια των χαρακτηριστικών κυττάρων.»

Η περαιτέρω πίσσα σειρών που ξελεπιάζει (που είναι κάθετη) επίσης μπορεί να βοηθήσει, αλλά μειώνει το μέγεθος του κυττάρου, που κινείται πίσω στην κατεύθυνση της αποθήκευσης πολύ λίγων ηλεκτρονίων. Αυτό θα χτυπήσει ένα όριο τελικά και θα μικρύνει το πλεονέκτημα του μεγαλύτερου μεγέθους κυττάρων στο τρισδιάστατο NAND εάν η πίσσα λέξη-γραμμών συνεχίσει να ξελεπιάζει. «Μακροπρόθεσμα, δεν θα έχετε αρκετό διάστημα για το κύτταρο, και θα αντιμετωπίσουμε τις ίδιες προκλήσεις με το επίπεδο NAND με τα αποτελέσματα λίγος-ηλεκτρονίων,» είπε.

Εν τω μεταξύ, υπάρχει μια ανάγκη στη μετάβαση στην πιό προηγμένη επεξεργασία CMOS για τα περιφερειακά στοιχεία κυκλώματος για συμβαδίζει με την απαραίτητες δύναμη και την απόδοση. Αυτό αντηχεί την ανάγκη να κινηθεί προς τις πύλες μετάλλων υψηλός-Κ στο DRAM – φέρνοντας την ανάγκη για την προσεκτική εφαρμοσμένη μηχανική συσκευών προκειμένου να καλυφθούν οι απαιτήσεις και των κυττάρων μνήμης και της λογικής.

Και τελικά, όπως περισσότερα στρώματα προστίθενται, γίνεται μια πρόκληση για να κρατήσει τον κύβο αρκετά λεπτό για τις εφαρμογές χαμηλός-σχεδιαγράμματος όπως τα τηλέφωνα κυττάρων – διατηρώντας αρκετό μαζικό πυρίτιο για το γερό χειρισμό. «Πέρα από τις έπειτα διάφορες γενεές, προκειμένου να καλυφθούν οι απαιτήσεις τύπου και συσκευασίας για τις κινητές λύσεις, το πάχος των ενεργών συσκευών πάνω από το πυρίτιο θα είναι υψηλότερο από το ίδιο το πάχος πυριτίου,» εν λόγω Chandrasekaran. «Δημιουργεί τις νέες διαχειριζόμενες προκλήσεις οπίσθιου μέρους, και το warpage γκοφρετών γίνεται ένα μεγάλο ζήτημα. Η δύναμη κύβων και ο χειρισμός των γκοφρετών πρόκειται να είναι μια νέα πρόκληση που οδηγεί την ανάπτυξη τεχνολογίας εξοπλισμού οπίσθιου μέρους μας.»

Αναδυόμενες προκλήσεις μνήμης
Οι πολυάριθμες τεχνολογίες για να είναι η επόμενη σημαντική αμετάβλητη μνήμη. Αυτοί περιλαμβάνουν την αλλαίδα φάσης μνήμη (PCRAM), το ανθεκτικό RAM (RRAM/ReRAM), το magnetoresistive RAM (MRAM), και, νωρίτερα στη αναπτυξιακή διαδικασία, το σιδηροηλεκτρικό RAM (FeRAM), και το RAM συσχετίζω-ηλεκτρονίων (CERAM). Ενώ PCRAM έχει χτυπήσει την παραγωγή στις μνήμες διασταυρώσεων της Intel, και stt-MRAM βλέπει την αυξανόμενη ολοκλήρωση, καμία από αυτές τις τεχνολογίες δεν μπορεί σήμερα να απαιτήσει το σόλο μανδύα του επόμενου μεγάλου πράγματος. Οι κύριες προκλήσεις αφορούν κατά ένα μεγάλο μέρος την αξιοπιστία και τη χρήση των νέων υλικών.

MRAM είναι ένας από τους πιό αισιόδοξους εισερχόμενους σε αυτήν την φυλή. «MRAM είναι ένας τύπος μνήμης που χρησιμοποιεί τις μαγνητικές καταστάσεις των υλικών για να αποθηκεύσει τις πληροφορίες, οι οποίες είναι πολύ διαφορετικές από τις δαπάνη-βασισμένες μνήμες όπως το DRAM και η λάμψη,» εξήγησε Meng Zhu, διευθυντής μάρκετινγκ προϊόντος σε KLA. Ενώ αυτός μπορεί να ηχήσει απλός, MRAMs είναι επίσης δυσκολότερο να χτιστεί από τις υπάρχουσες μνήμες λόγω των λεπτών στρωμάτων και τα διαφορετικά υλικά που χρησιμοποιούνται σε εκείνα τα στρώματα.

Επιπλέον, PCRAM στηρίζεται στα chalcogenides για το κύτταρό του. Το RRAMs εξαρτάται από ένα λεπτό μονώνοντας υλικό. Και FeRAM χρειάζεται τα υλικά που μπορούν να μεταστρέψουν σε ένα σιδηροηλεκτρικό κράτος. CERAM είναι αρκετά νωρίς στην ανάπτυξη ότι η σύνθεσή της δεν είναι ακόμα καθιερωμένη, αλλά τα νέα υλικά και η λεπτή συνέλευση είναι πιθανά.

Η ερώτηση για όλους αυτούς τους νέους τύπους μνήμης είναι πώς θα κρατήσουν ψηλά με τον καιρό και πέρα από τα εκατομμύρια των ανάγνδών-γραφής διαδικασιών. «Πολλές από τις κύριες αναδυόμενες λύσεις μνήμης αντιμετωπίζουν τις νέες προκλήσεις αξιοπιστία-μηχανισμών που πρέπει να γίνουν κατανοητοί,» εν λόγω Chandrasekaran.

MRAM, όντας μακρύτερα κατά μήκος από μερικές από τις άλλες τεχνολογίες, παρέχει ένα καλό παράδειγμα των ειδών λεπτομερειών που πειράζουν. «Ο κύριος μηχανισμός διακοπής για MRAM είναι ένδυση-έξω του λεπτού MgO του εμποδίου,» Zhu εν λόγω. «Όταν το εμπόδιο έχει τις ατέλειες, όπως οι οπές καρφίτσας ή τα υλικά αδύνατα σημεία, η αντίσταση της σύνδεσης μπορεί βαθμιαία να μειωθεί με τον καιρό και μπορεί επίσης να οδηγήσει σε μια ξαφνική πτώση στην αντίσταση (διακοπή).»

Οι άλλοι τύποι μνήμης πρέπει ακόμα να προσδιορίσουν και να διαχειριστούν τους μηχανισμούς αξιοπιστίας τους. Τα θέματα της διατήρησης αντοχής και στοιχείων εμμένουν, και η εξέλιξη της αντίστασης κυττάρων είναι με τον καιρό κρίσιμης σπουδαιότητας – ειδικά όταν εξετάζονται τα κύτταρα για τη χρήση στις αναλογικές μνήμες για τις εφαρμογές όπως την -μνήμη υπολογίζοντας για την εκμάθηση μηχανών.

Για να προσθέσουν στις προκλήσεις, πολλά από αυτά τα νέα κύτταρα μνήμης είναι ευαίσθητα στη θερμοκρασία, και τα υλικά τους μπορούν να μην αλληλεπιδράσουν καλά με μερικά από τα καθιερωμένα αέρια και άλλες χημικές ουσίες που χρησιμοποιούνται παραδοσιακά στη διαδικασία ημιαγωγών.

«Τα περισσότερα από τα υλικά που χρησιμοποιούνται σε αυτές τις προηγμένες λύσεις μνήμης είναι θερμοκρασία και χημικός-ευαίσθητα,» εν λόγω Chandrasekaran. «Αυτό απαιτεί την εισαγωγή της χαμηλής θερμοκρασίας επεξεργασίας και του περιβαλλοντικού ελέγχου στα fabs μας, και περιορίζει επίσης τη χρήση των γνωστών αερίων και των χημικών ουσιών επειδή τείνουν να αντιδράσουν με τα υλικά κυττάρων και να έχουν επιπτώσεις στην απόδοσή τους. Τέτοιοι περιορισμοί όχι μόνο θα το καταστήσουν δύσκολο να επεξεργαστούν αυτά τα υλικά, αλλά και να προσθέσουν περισσότερο κόστος.» Ο καθορισμός μιας ροής ότι και οι δύο χαμηλότερες θερμοκρασίες χρήσεων και αποτρέπει τη χημική υποβάθμιση κυττάρων θα είναι απαραίτητος για αυτές τις μνήμες για να εισαγάγουν την επικρατούσα τάση.

Ενώ ο κατάλογος προκλήσεων που παρουσιάζονται σε IEDM είναι με κανένα τρόπο πλήρης, παρουσιάζει στη βιομηχανία με μια συλλογή της πρόκλησης των βελτιώσεων που πρέπει να γίνουν προκειμένου να συνεχίσουν σε έναν ρυθμό που μπορεί να συμβαδίσει με τις εξελισσόμενες απαιτήσεις συστημάτων. Περισσότερο στοιχείο απαιτεί περισσότερη επεξεργασία και περισσότερη μνήμη, και υπάρχουν μέρη των τρόπων να αντιμετωπιστεί αυτό το ζήτημα. Αλλά καμία προσέγγιση δεν θα λύσει όλα τα προβλήματα, και καθώς περισσότερο στοιχείο παράγεται και περισσότεροι τύποι μνημών εισάγονται, θα υπάρξουν πρόσθετα προβλήματα που έχουν ανακαλυφθεί ούτε καν ακόμα. Από Bryon Moyer

Στοιχεία επικοινωνίας