התפתחות הזיכרון Semiconductor Memory: Why Speed Matters

מכשירים זיכרון Semiconductor יוצרים את עמוד השדרה של מערכות דיגיטליות מודרניות, מסמארטפונים וממחשבים ועד למרכזי נתונים היפר-ממדיים וכלי רכב אוטונומיים.בשנתיים האחרונות, המרדף הבלתי פוסק של אחסון נתונים מהיר יותר הוביל פריצות דרך באדריכלות זיכרון, חומרים ותהליכי ייצור.החידושים האלה אינם רק שיפורים מצטברים; הם משנים באופן יסודי כיצד נתונים כתובים, קוראים, נשמרים, ומאפשרים פעם לא אפשריים לעבוד באופן מלאכותי, כמו גם בזמנים של אינטליגנציה מלאכותית, ולא פחות, אלא גם זמן מסחר בתדירות גבוהה יותר, בזמן אימון עצמי, באופן משמעותי יותר, תוך כדי הפעלת כוח-זמני לחץ-תרגול יעיל יותר, תוך כדי הפעלת כוח-זמני בקרה, תוך כדי הפעלת כוח-תרגול יעיל יותר, תוך כדי הפעלת כוח-אווירה, באופן בסיסי יותר, תוך כדי שימוש בתדירות גבוהה יותר, כוח-אווירה, באופן משמעותי יותר, באופן משמעותי יותר, באופן בסיסי, תוך כדי שימוש בתדירות גבוהה יותר, באופן משמעותי, באופן משמעותי יותר, תוך כדי שימוש בתדירות גבוהה יותר, באופן משמעותי יותר, כוח-זמני בקרה, כוח-תרגול של אינטליגנציה מלאכותית, תוך כדי שימוש בצריכת דלק-אווירה, באופן משמעותי יותר, זמן-זמני בקרה, תוך כדי-תרגול יעיל יותר, באופן משמעותי יותר, זמן-

היררכיות זיכרון מסורתיות - מיזם ו- DRAM ו- non-volatile NAND Flash - מתעמלות כדי לעמוד בקצב דרישות ביצועים. DRAM מציע מהירות אך מאבד נתונים על אובדן כוח, בעוד שמסחר פלאש הוא סיבולת וכותב מהירות עבור דחיסות.חידושים אחרונים כגון 3D NAND, זיכרון שינוי שלב (PC), וטכנולוגיות אחסון לא רצוניות מתקדמות לכדי פתרון הפערים בהיררכיה זו, קראו/טקס את האפקטיבי יותר, כדי לשנות את ההשפעה הפונקציונלית של לחץ גבוה יותר.

ארכיון תגיות: The Memory Landscape Before innovation

כדי להעריך את פריצות הדרך, זה עוזר להבין את המורשת של זיכרון מוליכים למחצה.DRAM (זיכרון גישה אקראית) הוא סוס העבודה של זיכרון הראשי במשך עשרות שנים, המציעה זמני גישה על סדר של עשרות ננו השניות. עם זאת, תנודתיות שלה דורשת מחזורים קבועים של רענון, צריכת כוח משמעותי. בצד האחסון, NAND פלאש - בשימוש ב- SSDs, זיכרון, ו-USBUSB - מונעים ללא הפרעה לטווח של 100,000 שניות (טווח מוגבל), אך מוגבל ל- NAND) בטווח של כוח.

התגובה של התעשייה הייתה כפולה: לדחוף NAND למגוון רחב יותר של תצפיות ומהירויות באמצעות ערימה אנכית, ולחקור פרדיגמות זיכרון חדשות לחלוטין המשלבות את המהירות של DRAM עם אי-וולנטיות של פלאש. מאמצים אלה הובילו לכיתה חדשה של זיכרון ברמה אחסון (SCM) שתופסת מקום מתוק בין DRAM מסורתי ו- NAND.

טכנולוגיית NAND 3D: Vertical Stacking Unlocks Density and Speed

טכנולוגיית NAND 3D הייתה אחת ההחידושים המשפיעים ביותר בזיכרון Semiconductor. במקום לכווץ תאים אופקית (שהופך מאתגר מבחינה פיזית וחשמלית בקנה מידה ננומטר), יצרנים מערמים תאים זיכרון בשכבות אנכיות. גישה זו עלייה דרמטית הן צפיפות ללא מורכבות הליתוגרפיה של קשקשים התכנון.

אדריכלות ויתרונות ביצועים

במערך NAND 3D, תאי המטען מסודרים בערוצים אנכיים באמצעות שכבות של תחמוצת חמצני ופוליסליקון. היתרון המרכזי הוא שנתיבי נתונים הופכים קצרים יותר בתוך הערימה, צמצום הגמישות. מודרנית 3D חלקי NAND להשיג latencies תחת 50 מיקרו-שניות וכתוב מהירויות מתחת 200 שניות - סדרי גודל מהירים יותר מאשר NAND תוכנית מוקדם יותר, יתר על כן, מאפשר שיפור רמת סיבולת יעילה יותר, וכתוב באופן כללי.

(ב) מנהיגים תעשייתיים כמו FLT:0) Micronnron1ua, (FLT:2SK HynixásFLT 3,FLT:4KioxiaphFLT:5, ו-FLT:6SamsungiFLT 7 חלוצי 232-layer ואפילו 300-plus-layer NAND, לדוגמה, 1,400 Sbnb NAND ל-TD3 NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND 232-R NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND , NAND , 2D2D3 NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND NAND קיבולת גבוהה יותר

אתגרים ומסחר

למרות היתרונות שלה, 3D NAND NAND עומד המורכבות הייצור.כל שכבה נוספת מוסיפה שלבים תהליך, החריפה את שערי פגם וצמצום התשואות.מפרטים החשמליים החמירים עבור ערוצים אנכיים גם לכפות מגבלות עיצוב. כדי לענות על זה, יצרנים חוקרים ארכיטקטורות ייחודיות כגון תאים דו קוטביים וחיבור היברידי לערימות מרובות מחסניות.בנוסף, התעשייה עוברת ליותר סיביות לתא (QLC ו-Pati) כדי להגביר את הדחיסות נוספות, אם כי יש עוד יותר על מהירות אחסון גבוהה יותר.

שלב שינוי זיכרון (PCM): מהירות ו Persistence in One Cell

זיכרון שלב-שינוי מקטין זכוכית גירידית (כגון Ge2Sb2Te5) שניתן לעבור בין מדינות amorphous ו גבישיות על ידי יישום חום.מצב גבישי יש התנגדות חשמלית נמוכה, המייצגת "1", בעוד שלמדינה amorphous יש התנגדות גבוהה, המייצגת "0" כי השינוי של המדינה הוא מהיר מאוד - על מנת של עשרות ננו-שניות - M יכול לקרוא ולהשיג מהירויות דומות, אך עדיין ללא כוח.

יתרונות Over Flash Memory

PCM מציע כמה יתרונות משכנעים. ראשית, סיבולת הכתיבה שלה יכולה להגיע 108 עד 1012 מחזורים, הרבה יותר גבוה דירוג של NAND.שני, תאי PCM הם מעט-לא-ספור, כלומר ביטים בודדים ניתן לכתוב מחדש מבלי צורך למחוק בלוקים שלמים.זה מבטל את הדירוג של קורא-מתאם-הכתוב מעל זה מאט את הבזק.

(ההיישום המסחרי הבולט ביותר של PCM היה זיכרון האופטיאן של אינטל, שהשתמש בטכנולוגיית 3D XPoint (צורה קניינית של PCM) ® Optane DIMMs הציע עצלות נמוכה כמו 300 ns עבור קורא וכותבת, תחרותית עם DRAM אך לא volatiledd (DIFLT) עם שיפור משמעותי PC-FLT2D) ב-2022 עקב אימוץ ועלויות גבוהות.

יישומים של PCM

PCM הוא אטרקטיבי במיוחד במגזרים שבהם סיבולת גבוהה וכבדות נמוכה הם מכריעים: מסדי נתונים פנימיים, מסחר פיננסי בזמן אמת, AI inference caches, ומכשירים תעשייתיים IoT כי להזין נתונים באופן רציף.היכולת לכתוב במהירויות דמוי DRAM ולשמור נתונים במשך שנים (אפילו בטמפרטורות גבוהות) עמדות מחשב M כמועמד מפתח לזיכרון אוניברסלי - טכנולוגיה אחת שמשתפתלתלתלתלתלתר את DRAM ו-NAND.

טכנולוגיות זיכרון מתפתחות: פראואלקטריות, שפינוניקה ו-ReRAM

מעבר למחשבי PCM, החוקרים רודפים באופן פעיל כמה מושגים זיכרון מתעוררים המבטיחים אפילו כוח נמוך יותר ומהירויות גבוהות יותר.שלוש מההבטחות ביותר הן RAM ferroelectric (FeRAM), RAM מגנטי (MRAM), ו- RAM התנגדות (ReRAM).

זיכרון RAM פראואלקטרי (FeRAM)

(PZT) משתמש בסרט ferroelectric דק (בדרך כלל PZT, להוביל zirconate titanate) שמשנה קוטב בתגובה לשדה חשמלי יישומי.מדינות פולר הן יציבות, המציעות אי-וולנטיות.pRAM מספק קריאה / שורות של כ 50 עד 100 ns, דומה ל-DRAM, עם סיבולת מעל 1010 מחזורים עיקריים שלה הוא צפיפות מוגבלת -2Facter cc2 חומרים ânbsp;

RAM מגנטי (MRAM)

(מ) מאוחסנים נתונים בצומת מנהרה מגנטית (MTJs) שבו שינוי המגנטיזציה היחסית של שתי שכבות משנה התנגדות.Switch-transfer torque (STT-MRAM) הוא הגרסאות הדומיננטיות, תוך שימוש בזרם ספין-קוטב כדי להחליף את השכבה החינמית.T-MRAM מציע מהירות על קיבולת גבוהה יותר עם DRAM (2-10 ns כותב זמן), סיבולת בלתי מוגבלת, ושימור טוב כבר בשימוש כזיכרון מהיר יותר (Fer) כמו: 1.

RAM רציונאלי (ReRAM)

[ה]החלים (המכונים גם memristors) פועלים על ידי יצירת ושיבוש של סדקים של אנרגיה מוליכים בשכבה של מתכת-חמצני, תוך שינוי של שכבת ההתנגדות, וקריאה / כתיבה של זמניים יכולים להיות מתחת ל-10 nsRAM תאים פשוטים (בדרך כלל אחד-טרנסיסטורים) עם מבנה חד-צדדי), מה שהופך אותם לארגוני מדרג גבוה כמו Fross: 2.

השפעה על אחסון נתונים: שינוי מערכות ועומסי עבודה

כל אחד מהחידושים הזיכרון הללו תורם למגמה רחבה יותר: החריפה של ההיררכיה של הזיכרון-הזיכרון.מערכות מסורתיות נשענות על הסתמכות איטית בין דיסק ל- RAM.עם זיכרונות לא-אי-וול-איים, מהירים כמו PCM, 3D XPoint, או MRAM, נתונים יכולים להישאר בשכבה אחת מהירה, ביטול I/O-צווארוני.

ענן ו- Hyperscale Data Centers

(היפרקלרס כגון Amazon Web Services, Google Cloud ו- Microsoft Azure מפרסמים זיכרון של מעמד אחסון כדי להאיץ מסדי נתונים וניתוחים.לדוגמה, באמצעות PCM כ-Competper buffer מצמצם את ההיקף של 10× בהשוואה ל-NAND-Only SSDs, המאפשרת עסקאות קצרות יותר לשנייה.

אינטליגנציה מלאכותית ולמידה של מכונות

עומסי עבודה של בינה מלאכותית הם זיכרון-intensive: מודלים למידה עמוקה בקנה מידה גדול דורשים terabytes של פרמטרים, ואימון לעתים קרובות צווארי בקבוק על רוחב פס הזיכרון.זיכרון סמיך מהיר מאפשר גדלים אצווה גדולים יותר ומפחית זמן idle עבור יחידות קידוד.לדוגמה, Samsung's FLT:0HB-PIMFLT:1 (מעבדים-inmory) משלבים את ה-cotirtative באופן ישיר בין יחידות חישוביות קריטיות, אך יכולות לשמור על פני שטח אחסון.

Mobile and Consumer Electronics

סמארטפונים וטאבלטים נהנים מזיכרון מהיר יותר בצורת UFS (Universal Flash Storage) המבוססת על 3D NAND.המעבר מ- UFS 3.1 ל- UFS 4.0 (הרש"ל:0JEDEC סטנדרטיFLT:1) הכפיל את מהירות הקריאה השוויונית ל-4,200 MB/s, המאפשרת טעינה של אפליקציה קרובה לרזולוציה גבוהה של מצלמות אבטחה או וידאו סלולריות.

כיוונים עתידיים: סקרלינג, אינטגרציה ואתגרי עלויות

בעוד ההתקדמות מרשימה, הדרך קדימה אינה ללא מכשולים. Scaling מעבר 10 nm ממשיך להיות קשה הן מבוססות תשלום טכנולוגיות זיכרון אלטרנטיבית.עבור 3D NAND, שכבה צפויה להגיע 600+ עד 2028, אבל לחץ תרמי ומכני עשוי להגביל את הביצועים.עבור PCM, זרם התכנות הגבוה (- 100 μA לתא) חייב להיות מופחת להתחרות עם M או RRAM לשימוש ב- CRM, גם דורש עיבוד סטנדרטי של תאים לא סטנדרטיים.

למרבה המזל, התעשייה רודפת פתרונות חכמים.קוביות זיכרון היברידיות המשלבות את DRAM ו-SCM על אחד מ-SCM הופכים להיות אפשריים עם אריזה מתקדמת (למשל, 2.5D ו- 3D אינטגרציה) השימוש ב-FLT:0machine LearningFLT:1 כדי לייעל אלגוריתמים וללבוש פלסימה הוא גם שיפור בכל סוגי הזיכרון.

מסקנה: עידן חדש לאחסון נתונים

חידושים במכשירי זיכרון מוליכים למחצה הם מאמתים את מה שניתן באחסון נתונים.מעבורות הצפיפות של NAND תלת מימד למהירות דמוית ה- PCM וההבטחה המתעוררת של FeRAM, MRAM ו-ReRAM, הנוף עובר לקראת פתרונות מהירים יותר, עמידים יותר ויעילים יותר של טכנולוגיות אלה אינם רק גרסאות מהירות יותר של זיכרון קיים; הם מאפשרים לסורקים חדשים לגמרי, כמו גם כותרות זיכרון דיגיטליות, כמו גם, כמו גם, כמו גם, כמו גם, כמו גם, ופתרונות מתקדמים, כלומר, כלומר, כלומר, יכולות חישוביות מהירות גבוהה יותר, ופתרונות מתקדמים יותר ויותר יעילות יותר, וחדשנות דיגיטלית, כמו גם, כמו גם, כמו גם, ופתרונות מתקדמים של אבטחה, כמו גם, וחדשנות דיגיטלית של אבטחה, וחדשנות מהירה יותר, ופתרונות מתקדמים, וחדשנות מהירה יותר, ופתרונות מתקדמים, כמו גם של אבטחה, וחדשנית, וחדשנות מהירה יותר, וחדשנית, וחדשנות מהירה יותר, כמו גם של אבטחה, ופתרונות מתקדמים, כמו גם של אבטחה מהירה יותר, ופתרונות מתקדמים, כמו גם של זיכרון חכם יותר, כמו גם של אבטחה, כמו גם, כמו גם של זיכרון חכם יותר, כמו גם של אבטחה מהירה יותר, כמו גם של אבטחה, ו