Инновации в полупроводниковых устройствах памяти для более быстрого хранения данных

Эволюция полупроводниковой памяти: почему скорость имеет значение

Полупроводниковые запоминающие устройства составляют основу современных цифровых систем, от смартфонов и ноутбуков до гипермасштабных центров обработки данных и автономных транспортных средств. За последние два десятилетия неустанное стремление к более быстрому хранению данных привело к прорывам в архитектурах памяти, материалах и производственных процессах. Эти инновации не просто постепенные улучшения; они фундаментально изменяют то, как данные пишутся, читаются и сохраняются, позволяя приложениям, которые когда-то считались невозможными. Поскольку рабочие нагрузки в области искусственного интеллекта (ИИ), аналитики в реальном времени и высокочастотной торговли требуют субмиллисекундной задержки, гонка за сокращение времени доступа при расширении емкости никогда не была более критичной.

Традиционные иерархии памяти, включающие летучие DRAM и энергонезависимые вспышки NAND, пытаются идти в ногу с требованиями к производительности. DRAM предлагает скорость, но теряет данные о потере мощности, в то время как флэш-память обменивается выносливостью и скоростью записи для плотности. Последние инновации, такие как 3D NAND, память с фазовым изменением (PCM) и новые энергонезависимые технологии, нацелены на пробелы в этой иерархии, обеспечивая более быстрые циклы чтения / записи, более высокую выносливость и более низкое энергопотребление. В этой статье рассматриваются наиболее значительные разработки в полупроводниковых запоминающих устройствах и их преобразующее влияние на хранение данных.

Оригинальное название: The Memory Landscape Before Innovation

Чтобы оценить прорывы, он помогает понять наследие полупроводниковой памяти. DRAM (динамическая память с произвольным доступом) была рабочей лошадкой основной памяти в течение десятилетий, предлагая время доступа порядка десятков наносекунд. Однако ее волатильность требует постоянного обновления, потребляя значительную мощность. На стороне хранения вспышка NAND, используемая в твердотельных накопителях, картах памяти и USB-накопителях, обеспечивает энергонезависимое удержание, но страдает от задержки записи в микросекундном диапазоне и ограниченной выносливости (обычно от 10 000 до 100 000 циклов программы / стирания для плоской NAND).

Отраслевая реакция была двоякой: подтолкнуть NAND к большей плотности и скорости посредством вертикального стекания и исследовать совершенно новые парадигмы памяти, которые сочетают скорость DRAM с неволатильностью вспышки. Эти усилия привели к новому классу памяти класса хранения (SCM), который занимает сладкое место между традиционной DRAM и NAND. Ниже мы рассмотрим ключевые инновации, способствующие этой революции.

Технология 3D NAND: вертикальное стекирование разблокирует плотность и скорость

Технология 3D NAND была одной из самых эффективных инноваций в полупроводниковой памяти. Вместо того, чтобы сокращать ячейки горизонтально (что становится физически и электрически сложным в нанометровых масштабах), производители стекают ячейки памяти в вертикальные слои. Такой подход резко увеличивает плотность ареала без литографических сложностей планарного масштабирования.

Архитектура и преимущества производительности

В массиве 3D NAND ячейки зарядовой ловушки расположены в вертикальных каналах через чередующиеся слои оксида и полисиликана. Ключевое преимущество заключается в том, что пути передачи данных становятся короче в стеке, уменьшая задержку. Современные части 3D NAND достигают задержки чтения менее 50 микросекунд и записывают задержки менее 200 микросекунд — порядка величины быстрее, чем более ранние плоские NAND. Кроме того, вертикальная структура позволяет более эффективно исправлять ошибки и выравнивать износ, улучшая общую выносливость.

Лидеры отрасли, такие как Micron, SK Hynix, Kioxia и Samsung, впервые внедрили 232-слойную и даже 300-слойную NAND TLC Samsung — с более чем 230 слоями — демонстрирует, как стекинг напрямую переводит в более быстрые скорости передачи данных (до 2400 мТ/с через интерфейс Toggle 5.0) и более высокую емкость на чип. SSD на основе 3D NAND теперь обычно достигают последовательной скорости чтения, превышающей 7000 МБ/с, ранее домен кэширования на основе DRAM.

Вызовы и компромиссы

Несмотря на свои преимущества, 3D NAND сталкивается с возрастающей сложностью производства. Каждый дополнительный слой добавляет этапы процесса, усугубляя частоту дефектов и снижая выходы. Строгие электрические спецификации для вертикальных каналов также накладывают ограничения на дизайн. Для решения этой проблемы производители изучают уникальные архитектуры, такие как биполярные ячейки и гибридные связи для укладки нескольких палуб. Кроме того, индустрия переходит к большему количеству битов на ячейку (QLC и PLC) для дальнейшего повышения плотности, хотя и с ударом по выносливости и скорости. Тем не менее, 3D NAND остается доминирующей энергонезависимой памятью для высокопроизводительного хранения сегодня.

Память с изменением фазы (PCM): скорость и устойчивость в одной ячейке

Память с фазовым изменением использует халькогенидное стекло (например, Ge2Sb2Te5), которое можно переключать между аморфным и кристаллическим состояниями путем применения тепла. Кристаллическое состояние имеет низкое электрическое сопротивление, представляющее «1», в то время как аморфное состояние имеет высокое сопротивление, представляющее «0». Поскольку изменение состояния очень быстро — порядка десятков наносекунд — PCM может достигать скорости чтения и записи, сопоставимой с DRAM, но сохраняет данные без мощности.

Преимущества перед Flash-памятью

PCM предлагает несколько неоспоримых преимуществ. Во-первых, его выносливость записи может достигать 10^8 до 10^12 циклов, что намного превышает рейтинг NAND. Во-вторых, ячейки PCM являются бит-изменяемыми, что означает, что отдельные биты могут быть переписаны без необходимости стирания целых блоков. Это устраняет накладные расходы на чтение-изменение-запись, что замедляет вспышку. Сочетание скорости и выносливости делает PCM идеальным для приложений памяти класса хранения - например, в качестве постоянного кэша или в качестве быстрого уровня в континууме хранения памяти.

Наиболее заметной коммерческой реализацией PCM была память Intel Optane, которая использовала технологию 3D XPoint (собственная форма PCM). Optane DIMMs предлагала задержку до 300 нс для чтения и записи, конкурентоспособную с DRAM, но нелетучую. Однако Intel прекратила выпуск Optane в 2022 году из-за ограниченного внедрения и высокой стоимости. Тем не менее, исследования в PCM продолжаются, с такими компаниями, как STMicroelectronics и IBM , разрабатывающими PCM следующего поколения, который интегрируется с обычными процессами CMOS. Недавняя работа Nature Materials продемонстрировала, что многоуровневая ячейка (MLC) PCM достигает 4 бит на ячейку, значительно улучшая плотность без ущерба для скорости.

Применение PCM

PCM особенно привлекателен в секторах, где высокая выносливость записи и низкая задержка имеют первостепенное значение: базы данных в памяти, финансовая торговля в реальном времени, кэши вывода AI и промышленные устройства IoT, которые непрерывно регистрируют данные. Возможность записи на DRAM-подобных скоростях и сохранять данные в течение многих лет (даже при повышенных температурах) позиционирует PCM как ключевой кандидат на универсальную память - единую технологию, которая заменяет как DRAM, так и NAND.

Новые технологии памяти: ферроэлектрики, спинтроники и ReRAM

Помимо PCM, исследователи активно преследуют несколько новых концепций памяти, которые обещают еще более низкую мощность и более высокие скорости. Три из наиболее перспективных - сегнетоэлектрическая ОЗУ (FeRAM), магниторезистивная ОЗУ (MRAM) и резистивная ОЗУ (ReRAM).

Ферроэлектрическая RAM (FeRAM)

FeRAM использует тонкую сегнетоэлектрическую пленку (обычно PZT, свинцовый цирконат титанат), которая изменяет поляризацию в ответ на прикладное электрическое поле. Поляризация состояний стабильна, предлагая неволатильность. FeRAM обеспечивает время чтения / записи около 50-100 нс, сопоставимое с DRAM, с выносливостью выше 1010 циклов. Его основным недостатком является ограниченная плотность - сегнетоэлектрические конденсаторы трудно масштабировать ниже 45 нм. Однако недавние прорывы с сегнетоэлектрическими материалами на основе оксида гафния (HfO2) вновь вызвали интерес. HfO2 совместим с CMOS и может быть нанесен на тонкие пленки, что позволяет HfO2 FeRAM , который масштабируется до 28 нм и за его пределами. Такие компании, как Infineon , произвели 1-Мбит чипы FeRAM для смарт-карт и промышленных микроконтроллеров, но более высокие плотности

Магниторезистивная RAM (MRAM)

MRAM хранит данные в магнитных туннельных соединениях (MTJ), где изменение относительной намагниченности двух слоев изменяет сопротивление. Спин-трансферный крутящий момент (STT-MRAM) является доминирующим вариантом, используя спин-поляризованный ток для переключения свободного слоя. STT-MRAM предлагает скорость наравне с DRAM (2-10 нс записывающего времени), неограниченную выносливость и хорошее удержание. Он уже используется в качестве встроенной памяти в некоторых микроконтроллерах (например, ]Everspin . Основной проблемой является высокий ток переключения, который увеличивает мощность и ограничивает плотность. Расширенные методы, такие как спин-орбитальный крутящий момент (SOT-MRAM) обещают меньшую мощность и более быстрое переключение, хотя они все еще находятся в лаборатории. В недавней статье в IEEE Транзакции на электронных устройствах сообщили о SOT-MRAM с временем записи менее 300 ps, открывая дверь для сверхбыстрых

Resistive RAM (ReRAM)

ReRAM (также называемый мемристорами) работает путем формирования и разрушения проводящих нитей в изоляционном слое оксида металла. Состояние сопротивления нелетучим, и время чтения / записи может быть ниже 10 нс. Ячейки ReRAM просты (обычно структура с одним транзистором-одним резистором), что делает их высокомасштабируемыми. Организации, такие как Crossbar Inc. продемонстрировали 3-битные на ячейку массивы ReRAM с выносливостью 106 циклов. Однако изменчивость в образовании нити накала остается узким местом надежности. Для приложений, которые требуют чрезвычайной скорости и низкой мощности - например, нейроморфные вычисления или обработка в памяти - ReRAM показывает огромные перспективы. Недавние инновации с использованием 2D-материалов (например, гексагональный нитрид бора) для резистивного слоя достигли времени переключения нескольких наносекунд и чрезвычайно низкая энергия переключения .

Влияние на хранение данных: трансформирующие системы и рабочие нагрузки

Каждое из этих нововведений в области памяти способствует более широкой тенденции: сглаживанию иерархии хранения памяти. Традиционные системы полагались на медленную подачу между диском и ОЗУ. С энергонезависимыми, быстрыми воспоминаниями, такими как PCM, 3D XPoint или MRAM, данные могут оставаться в одном высокоскоростном ярусе, устраняя узкие места ввода-вывода. Это имеет глубокие последствия для облачной инфраструктуры, обучения ИИ и мобильных устройств.

Облачные и гипермасштабные центры обработки данных

Гипермасштаберы, такие как Amazon Web Services, Google Cloud и Microsoft Azure, развертывают память класса хранилища для ускорения баз данных и аналитики. Например, использование PCM в качестве постоянного буфера записи снижает задержку записи на 10 × по сравнению с SSD только NAND, позволяя проводить больше транзакций в секунду. Эти преимущества распространяются на хранилища ключевых значений и SQL базы данных , где операции по фиксации становятся почти мгновенными. Исследование 2023 года, проведенное Sandisk / Western Digital , показало, что интеграция 3D NAND с небольшим задержкой хвоста буфера PCM на 40% для рабочих нагрузок с чтением в облаке.

Искусственный интеллект и машинное обучение

Рабочие нагрузки ИИ являются интенсивными для памяти: крупномасштабные модели глубокого обучения требуют терабайтов параметров, а обучение часто узкие места на пропускной способности памяти. Быстрая полупроводниковая память позволяет увеличить размеры партий и сокращает время простоя для вычислительных блоков. Например, Samsung HBM-PIM (обработка в памяти) интегрирует DRAM с вычислительными блоками, но энергонезависимый SCM может служить постоянным хранилищем веса, которое сохраняет параметры модели в течение циклов питания. Это особенно актуально для периферийных устройств ИИ, где энергоэффективность имеет решающее значение. Появляющиеся массивы ReRAM могут выполнять многократно накапливаемые операции непосредственно в памяти, размывая грань между хранением и вычислением.

Мобильная и потребительская электроника

Смартфоны и планшеты получают выгоду от более быстрой памяти в виде UFS (Universal Flash Storage) на основе 3D NAND. Переход от UFS 3.1 к UFS 4.0 (] JEDEC стандарт ) удвоил скорость последовательного чтения до 4200 МБ/с, что позволило почти мгновенно загружать приложения и захватывать видео высокого разрешения. Будущие мобильные устройства могут включать встроенную MRAM или FeRAM для памяти скретчпада, что еще больше снижает энергопотребление в состояниях сна.

Будущие направления: масштабирование, интеграция и проблемы с затратами

Хотя прогресс впечатляет, путь вперед не без препятствий. Масштабирование за 10 нм по-прежнему затруднено как для зарядных, так и для альтернативных технологий памяти. Для 3D NAND количество слоев, как ожидается, достигнет 600+ к 2028 году, но тепловое и механическое напряжение может ограничить производительность. Для PCM высокий ток программирования (~ 100 мкА на ячейку) должен быть уменьшен, чтобы конкурировать с MRAM или ReRAM для мобильного использования. Интеграция с логическими процессами также остается препятствием: встраивание энергонезависимой ячейки памяти в кэш последнего уровня процессора требует специализированной обработки, что повышает затраты.

К счастью, индустрия ищет умные решения. Гибридные кубы памяти, которые объединяют DRAM и SCM на одном интерпостере, становятся возможными с продвинутой упаковкой (например, интеграция 2.5D и 3D). Использование машинного обучения для оптимизации алгоритмов записи и выравнивания износа также улучшает выносливость во всех типах памяти. Кроме того, новые материалы, такие как графен и дихалкогениды переходных металлов, обещают ультратонкие, маломощные ячейки памяти, которые могут преодолеть пределы масштабирования.