Активно разрабатывается логическая встроенная энергонезависимая память («встроенная энергонезависимая память»), предназначенная для встраивания в новейшие SoC (система на чипе) и крупномасштабные микроконтроллеры (крупномасштабные микрокомпьютеры) и т. Д. До настоящего времени программный код ядра процессора в основном хранился во встроенной логической флэш-памяти («встроенная флэш-память»), встроенной в SoC и микрокомпьютеры. Однако в последнее время встроенная вспышка не в состоянии идти в ногу с миниатюризацией логики CMOS.
Утверждается, что предел миниатюризации встроенной вспышки составляет от 40 нм до 28 нм в узле логической технологии CMOS. Ожидается, что «встроенная энергонезависимая память» будет играть роль «встроенной вспышки» в 28 нм и более поздней логике CMOS.
Основной причиной того, что встроенная вспышка достигла технического предела миниатюризации, является то, что ячейка памяти встроенной вспышки представляет собой транзистор (транзистор, который сочетает в себе выбор ячейки и ее хранение). Поскольку это транзисторная технология, она должна быть совместима с технологией логических транзисторов CMOS. Тем не менее, КМОП логические транзисторы меняются от поколения к поколению. К ним относятся технология напряженного кремния, технология HKMG и технология FinFET. Во встроенной вспышке сложно следить за этими последовательными изменениями.
С другой стороны, во встроенной энергонезависимой памяти за хранение данных отвечает не транзистор, а двухэлементный элемент переменного сопротивления. Существуют три основных метода в соответствии с принципом различия в элементе хранения переменного элемента сопротивления. Память с изменением сопротивления (ReRAM), магниторезистивная память (MRAM), память с изменением фазы (PCM).
Общим для этих технологий является то, что они могут формировать элементы переменного сопротивления для хранения полуавтономно или полностью независимо от транзисторной технологии в логике. Ожидается, что с миниатюризацией логика транзисторов в будущем существенно изменится. Со встроенной вспышкой, которая является транзисторной технологией, практически невозможно создать план развития, соответствующий логике. С другой стороны, встроенная энергонезависимая память может следовать за миниатюризацией без каких-либо проблем, даже если миниатюризация логики продвигается, например, до 5 нм или менее. Будущее — это достаточная технология.
Кроме того, по сравнению со встроенной флэш-памятью во встроенной энергонезависимой памяти запись выполняется относительно быстро, напряжение источника питания относительно низкое, а количество масок, добавляемых к изготовлению логики CMOS, составляет всего около 3 (около 10 встроенных флэш-памяти). Есть такие преимущества, как По этой причине основные создатели кремния и крупные производители микрокомпьютеров активно работают над разработкой встроенной энергонезависимой памяти.
Базовая конфигурация микрокомпьютера с энергонезависимой памятью (встроенная энергонезависимая память)Преимущества замены встроенной флэш-памяти на встроенную энергонезависимую памятьТехнология внедрения встроенной энергонезависимой памяти. Вообще говоря, существуют технологии для формирования элементов памяти в контактах и технологии для формирования элементов памяти в многослойной проводке.
Платформа с 22-нм технологией FinFET с низким энергопотреблением
В этих условиях Intel, которая активно работает в сфере кремниевого литейного производства, показала, что разрабатывает энергонезависимую память для встраивания логики («встраивание энергонезависимой памяти»). Затем часть результатов разработки была опубликована в Международном обществе ISSCC (лекции 13.2 и 13.3).
Объявлено о двух типах встроенной энергонезависимой памяти. Один из них — встроенный ReRAM (память с изменением сопротивления), а другой — встроенный MRAM (память с магнитным сопротивлением). Платформа CMOS логика та же. И то, и другое — «процесс 22 FFL от Intel (процесс FinFET с низким энергопотреблением 22 нм поколения)».
Обзор встроенной энергонезависимой памяти, разработанной Intel (ISSCC 2019). Авторы резюмировали из слайдов и докладов Intel
Плотность хранения разработанного встроенного ReRAM составляет 10,1 Мбит / квадратный мм, а плотность хранения встроенного MRAM составляет 10,6 Мбит / квадратный мм. Область ячейки памяти встроенного ReRAM не объявляется. Площадь ячейки памяти встроенной MRAM составляет 0,0486 кв. Преобразованное значение F2 (квадрат правила проектирования) равно 100 F2, и ячейка памяти не так уж мала. Емкость макета прототипа составляет 3,6 Мбит для встроенных макросов ReRAM и 7 Мбит для встроенных макросов MRAM.
Фотография оценочного кремния со встроенным макросом ReRAM (слева) и макетом подмассива памяти (справа). Из презентации Intel (лекция № 13.2)Оценочный кремниевый кристалл со встроенным макросом MRAM. Он имеет восемь встроенных макросов MRAM с объемом памяти 7 Мбит. Из слайда доклада Intel (лекция № 13.3). Компоновки кремниевого кристалла для разработки встроенного ReRAM и кремниевого кристалла для разработки встроенного MRAM схожи с точки зрения. Встроенные ReRAM и встроенные MRAM могут совместно использовать кремниевую матрицу для разработки
Читать быстро, но писать медленно
Время чтения данных разработанного встроенного ReRAM составляет 7 нс (напряжение питания 0,8 В, диапазон температур от минус 40 ° С до плюс 125 ° С), а время чтения данных встроенного MRAM составляет 4 нс (напряжение питания 0,9 В, диапазон температур от минус 40 ° С до плюс Оба довольно короткие, такие как 125 ° С С другой стороны, ни одна из записей данных не является такой быстрой. Как для встроенного ReRAM, так и для встроенного MRAM требуется время записи 10 мкс. Разница между чтением и письмом составляет примерно 1000 раз. Трудно сказать, что запись намного быстрее, чем встроенная флэш-память.
Характеристики считывания данных (шму-график) разработанного встроенного ReRAM. Из презентации Intel (лекция № 13.2)Данные чтения характеристик (шму график) разработанного встроенного MRAM. Из презентации Intel (лекция № 13.3)
Технология ячейки, чтобы улучшить производственный выход
Внедренная технология ReRAM и технология встроенного MRAM, разработанные Intel, используют технологию общего элемента для повышения производительности производства. Хотя есть небольшие отличия, в основном это технология той же идеи. Есть две элементарные технологии. Одна — это технология, связанная с записью, а другая — технология, связанная с ячейкой памяти для чтения.
Intel назвала «WVW (Write Verfy Write)» как технологию, относящуюся к письму. Когда выполняется одна запись данных, операция короткой записи (запись) и операция проверки чтения (проверка) повторяются. Когда пороговое напряжение достигнет желаемого значения, завершите операцию. Таким образом, пороговые значения ячеек памяти могут быть сделаны однородными с очень небольшими вариациями.
Временная диаграмма операции записи (MRAM) по технологии «WVW (Write Verfy Write)». Из презентации Intel (лекция № 13.3)Форма волны сигнала операции записи (MRAM) по технологии «WVW (Write Verfy Write)». Из презентации Intel (лекция № 13.3)
Технология, относящаяся к эталонной ячейке памяти, представляет собой технологию, в которой в качестве эталонной ячейки используется тонкопленочный резистивный элемент с высокой точностью, а не нормальная ячейка (ячейка, состоящая из одного транзистора и одного резистивного элемента). Хотя название технологии не было дано конкретно, эталонное сопротивление было названо «TFR (тонкопленочный прецизионный резистор)», чтобы отличить его от других резистивных элементов.
Высокоточный тонкопленочный резистивный элемент, называемый «TFR», имеет переменное значение сопротивления, и значение сопротивления точно регулируется, чтобы быть оптимальным значением для каждой кремниевой матрицы. При использовании TFR такие преимущества, как изменение эталонного значения (значения сопротивления) относительно небольшого изменения температуры и сбой из-за повторного считывания (нарушение чтения в эталонной ячейке памяти), не возникают.
Исследования и разработки встроенных ReRAM все еще идут
Отсюда, давайте представим обзор объявлений по встроенным ReRAM и встроенным MRAM.
Самое важное, что следует отметить из встроенного объявления ReRAM, — это то, что исследования и разработки все еще находятся в процессе завершения. Тот факт, что данные о долгосрочной достоверности, то есть никаких экспериментальных данных о количестве перезаписываемых данных и сроках хранения данных, были опубликованы, вовсе не предполагал, что исследование все еще находится на начальной стадии. Кроме того, существует значительный разброс данных о частоте отказов чтения для макроса 3,6 Мбит, что также указывает на наличие большого пространства для технического усовершенствования.
Схема разработанной встроенной технологии ReRAM. Из презентации Intel (лекция № 13.2)
Завершена встроенная технология MRAM до уровня массового производства
С другой стороны, Intel призывает, чтобы встроенная технология MRAM была разработана до уровня, который может быть массово произведен путем включения ее в продукты. В дополнение к долгосрочной надежности, такой как время перезаписи данных и время хранения данных, были также опубликованы данные о надежности, когда кремниевая матрица была запечатана в пакет и применена высокотемпературная обработка для пайки.
Частота отказов при хранении данных, когда кремниевая матрица запечатана в упаковку и применена высокотемпературная обработка для пайки. Результаты теста для встроенного макроса MRAM 7 Мбит. Из презентации Intel (лекция № 13.3)Схема разработанного встроенного MRAM. Из презентации Intel (лекция № 13.3)
Энергонезависимая память следующего поколения, такая как MRAM, ReRAM и PCM, скоро будет популяризирована как встроенная память в передовой логике. Во-первых, он играет роль встроенной флэш-памяти. Переход от встроенной флэш-памяти к MRAM или ReRAM, PCM уже решен. Следующий сценарий является альтернативой встроенной SRAM. Хотя препятствие стоит дорого, это определенно мечтательная проблема развития. Я с нетерпением жду прогресса исследований и разработок.