容量/速度需求持續攀升 次世代記憶體研發腳步不停歇

作者: 黃繼寬
2022 年 05 月 12 日

在人工智慧(AI)等新應用的帶動下,運算單元的效能不斷升級,也連帶讓儲存資料的記憶體必須具備更大的容量,且資料傳輸的頻寬、延遲要求亦日益嚴格。因此,業界一方面持續在動態隨機存取記憶體(DRAM)跟快閃記憶體技術上投入研發資源,另一方面也在次世代記憶體的研發方面展現更積極的態度,並與像imec這樣的研究機構進行更多研發方面的合作。

三大因素驅動記憶體技術向前邁進

imec記憶體與運算技術研發團隊副總裁Arnaud Furnémont分析,目前有三大因素正在驅動記憶體與儲存裝置的研發量能。首先是容量的需求,為了儲存更大的資料量,市場對記憶體容量升級的需求一直存在,同時還要降低每位元的資料儲存成本。

第二個因素則是資料密集的高性能運算應用所面臨的「記憶體撞牆」問題(Memory Wall)。為了在短時間內處理大量資料,高性能運算系統必須有極高的資料讀取速度,但要持續提高讀取速度,在技術上存在相當大的挑戰。因此,業界將腦筋動到了縮短邏輯元件跟記憶體距離上面,例如利用3D晶圓接合技術,縮短記憶體晶片與邏輯元件的間距,或是直接提高嵌入式記憶體的密度,用大容量的嵌入式記憶體作為最後一級快取。

第三個因素則是記憶體堆疊密度的增加,導致散熱議題變得更難處理。這項技術挑戰對高性能記憶體系統的影響不斷加劇。例如高頻寬記憶體(HBM)就是由多個動態隨機存取記憶體(DRAM)堆疊而成。

這三個驅動力,都與運算系統的性能不斷攀升密不可分。隨著硬體持續跟進摩爾定律,軟體導入像是人工智慧與機器學習技術,運算系統可以處理的資料量也更多了。

Furnémont預期,未來會有其他的研發需求獲得更多重視。新一代的極低溫CMOS電路與量子運算系統可能會需要極低溫的記憶體元件。此外,永續發展的概念也會在記憶體研究上繼續擴大影響力,因為全球晶圓在記憶體與儲存元件的產量遠大於邏輯元件。最後,為了在深度學習應用導入神經網路的權重(Weight),未來將會朝向類比記憶體內運算(In-memory Computing)發展,可能促使非揮發性類神經儲存的新興概念逐步成形。

緊追NAND腳步 3D風潮吹向DRAM產業

目前imec在記憶體技術的研發,可以分成兩條路線。首先是與記憶體領域的夥伴攜手合作,盡可能持續開發傳統DRAM與NAND快閃技術。同時,imec也正在探索一些全新的記憶體概念,跳脫現有的技術框架。

舉例來說,NAND快閃技術的讀寫速度雖慢,卻在密度與成本有巨大的優勢。為了持續發揚這兩項優勢,NAND開始垂直堆疊。目前已大量生產的元件,堆疊層數已高達176層,位元線也採用環繞閘極(GAA)結構。隨著元件層數增加,元件層的厚度也面臨縮減的壓力,因此需要微縮垂直間距,同時,元件的面積也要縮小。

imec可以展示超微縮的3D NAND快閃元件,垂直間距降至25nm,且能採用替代的元件架構,例如溝槽式架構,以縮短記憶單元的長度與寬度。此外,imec還擴充了儲存元件的發展途徑,拓展低延遲應用,在這方面,3D鐵電場效電晶體(FeFET)深具潛力。

除了3D NAND,imec也探索其他的元件架構,例如基於離子液體的資料儲存概念,以開發更多TB等級的儲存解決方案。

3D趨勢也正在DRAM領域醞釀之中。在2021年IEEE國際電子元件會議(IEDM)上,imec展示了無電容的氧化銦鎵鋅(IGZO) DRAM元件,成功改良其性能,未來可望打造出高密度3D DRAM元件,作為電腦的主要記憶體。

目前業界仍採用單個電晶體與單個電容器(1T1C)的元件架構來進行DRAM記憶體陣列的平面微縮,imec相信這套作法還能延續下個5年。但我們有些夥伴已經開始探索3D DRAM架構,朝向更高密度的獨立式DRAM元件發展。一方面,imec將協助開發不同的3D元件製程。例如,我們提出了雙電晶體零電容(2T0C)的DRAM元件概念,選用氧化銦鎵鋅材料,並與後段製程相容,藉此,記憶單元的周邊電路得以移至記憶體陣列的下方,還能不同的記憶單元還能進行堆疊,從而實現真正的3D解決方案。另一方面,我們也在尋找氧化銦鎵鋅以外的通道材料,以提升電晶體的性能與穩定性。

imec利用IGZO取代矽材料,可望成為3D DRAM的發展基礎

 

超前部署次世代記憶體 三大技術最具發展潛力

至於在次世代記憶體方面,Furnémont透露,imec正在研究三種具備發展潛力的次世代技術。這些次世代技術都可望在DRAM與SRAM之間取得平衡,成為低電壓、高密度、嵌入式的記憶體,而且運作能比DRAM還要快,以超高速度將資料饋入邏輯元件。

第一,imec正嘗試拓展氧化銦鎵鋅3D DRAM的應用範圍,從前面提到的獨立式記憶體,延伸至嵌入式且與邏輯元件相容的應用。

第二,imec也在評估RRAM的應用潛能。這是一種非揮發性且採用1T1C架構的DRAM元件,其電容採用鐵電材料。更準確地說,我們在探索不同的鐵電材料,尋找能夠實現類似DRAM或SRAM應用的材料特性。

第三,imec在研究不同種類的MRAM元件,包含自旋轉移力矩式(STT- MRAM)、閘極輔助自旋軌道力矩式(VGSOT- MRAM)與完全電壓控制式(VCMA-MRAM)元件,三者各自在速度、功耗、可靠度與微縮能力之間取捨。我們開發了數個與CMOS相容的300mm製程來推動這些技術的進一步發展。

在儲存密度方面,最具潛力的是VGSOT-MRAM。透過多柱型的元件設計,讓多個柱狀的磁性穿隧接面元件(Magnetic Tunnel Junction)連接到同一條採用自旋軌道力矩式設計(SOT)的導線,同時,設計一個完全電壓控制式(VCMA)的上閘極作為多工器,負責選擇寫入某條線路的資料。VC-SOT設計能夠達到低於奈秒等級的快速開關能力,因此在任何快取記憶體應用都能發揮作用。

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