谁能“替代”DRAM
2021-06-01 08:15
 
凯发k8官网下载DRAM是存储器商场傍边最大细分范畴。一起,跟着服务器、智能手机、PC等产品对DRAM需求的增加,这类半导体产品将迎来新一轮的超级生长时期。

从结构上看,DRAM存储器,存储单元由一个电容器和一个晶体管组成。电容器用于存储电荷,晶体管用于拜访电容器,可以读取存储了多少电荷,也可以存储新的电荷。但跟着小型化、集成化的开展,DRAM的缺点也暴露了出来——单个晶体管不能很好地将电荷保持在小电容器中。它将使电流从电容器走漏或流向电容器,然后跟着时刻的消逝而失掉其清晰界说的充电状况。经过定时改写DRAM可以防止此问题,但这意味着读取存储器的内容并将其从头写回。

而在数据处理需求的激增下,这品种型的DRAM并更好地满意未来商场需求。因而,业界也在寻觅新的技能来改善现在DRAM的技能。在这个进程傍边,有一些企业和组织对无电容 DRAM技能展开了研讨。

DFM

 

动态闪存(Dynamic Flash Memory:DFM)是由Fujio Masuoka博士创建的公司Unisantis Electronics推出的。据介绍,这是一种比DRAM或其他类型的易失性存储器更快,更密布的技能,并将有期望成为DRAM的代替者。

DRAM是一种易失性的、根据电容的、损坏性读取方法的存储器——长期以来,它的应战一直是在不增加功耗的状况下持续封装在更低的本钱中。

DFM也是易失性存储器的一种,可是由于它不依赖于电容器,因而走漏途径较少。选用这种技能的开关晶体管和电容器之间没有衔接。

在DFM开发的进程傍边,笔直盘绕门晶体管(SGT)技能充任着重要的人物。据介绍,笔直SGT为终究的电路完成供给了几个要害特性:与平面和FinFET晶体管比较,提高了面密度;由于对晶体管通道的周围栅极进行了强壮的静电操控,因而降低了走漏功率,针对终究运用优化晶体管宽度和长度尺度,无论是高性能仍是极低的功耗。



DFM / SGT技能仍会走漏电荷,但速率要比DRAM慢得多,并且读取是无损的。这意味着改写周期之间的距离更长,因而有更多的读写带宽。DFM / SGT供给块改写和擦除,并且比DRAM供给更快的拜访速度。

Unisantis宣称,在仿真中,DFM具有很大的潜力,其密度是DRAM的四倍,并且具有明显的Gb / mm²改善。它说,运用DFM的单元结构,当今对DRAM(当前为16Gb)的束缚或许会当即增加到64Gb内存。

Unisantis现已开展了DFM概念,现在正寻求开展一系列的内存和铸造协作伙伴关系,以揭露测验和演示DFM的功用和潜力。

2T0C DRAM

 

除了DFM外,来自佐治亚理工、圣母大学、罗彻斯特理工学院的研讨者也曾提出了一种新式的无电容DRAM。

在上一年举办的 IEEE 世界电子设备会议(IEDM)上,该研讨小组表明:“这种新式的DRAM 由氧化物半导体制成,并内置在处理器上方的各层中,其位长是商用 DRAM 的数百或数千倍,并且在运转大型神经网络时可以供给较大的区域,节约很多动力。”

这种新的嵌入式DRAM仅由两个晶体管制成,没有电容器(2T0C)。这之所以可行,是晶体管的栅极是天然的(尽管很小)电容器。因而,代表该位的电荷可以存储在此处。该规划具有一些要害优势,特别是关于AI。



据了解,2T0C DRAM单元读取数据,无需损坏数据,不用重写数据。该研讨小组成员表明,2T0C的摆放方法不适用于硅逻辑晶体管。由于晶体管的栅极电容太低并且经过晶体管的走漏太高,任何位都会当即丢失。因而,研讨人员转向由非晶氧化物半导体制成的设备。

在这种方法的指导下,比利时微电子研讨中心(Imec)的研讨人员在世界电子器材会议(IEDM)上推出了一品种似的 2T0C 嵌入式方案,该方案运用铟镓锌氧化物(IGZO)作为半导体。Imec的高档科学家Attilio Belmonte指出,IGZO有必要在有氧的状况下进行退火,以修正由氧空位引起的资料缺点。这具有削减IGZO中可有助于电流活动的自由电子数量的效果,可是假如没有它,这些设备将不会像开关那样起效果。

VLT技能

 

Kilopass也曾在2016年推出过VLT技能来完成无电容DRAM。



据了解,Kilopass的VLT选用无电容结构,经过笔直方法完成晶闸管架构,然后使存储单元愈加紧凑。紧凑的结构加上所需的物理器材,构造出制作工艺简略的交叉点内存,这将带来一项与DDR规范兼容,并且比其时顶尖的20纳米DRAM制作本钱低45%的新技能。

与2T0C DRAM不同的是,据其时的媒体报导称,VLT技能存储技能无需任何新资料,可以做到与逻辑CMOS工艺100%兼容。

Z-RAM

 

Z-RAM由Innovative Silicon进行开发的,这也是一种无电容器的新式DRAM。据此前的报导显现,Z-RAM是一个单晶体管DRAM,仅由一个晶体管作为存储位单元。与由单个晶体管和杂乱电容器组成的DRAM不同,不需要电容器或其他结构即可构成Z-RAM存储位单元。

Z-RAM依托floating body效应,即绝缘体上硅(SOI)工艺的伪影,该工艺会将晶体管放置在阻隔的槽中(晶体管体电压相关于槽下方的晶圆衬底“float”)。floating body效应导致在 tub的底部和下面的基板之间呈现可变电容。floating body效应一般是一种寄生效应,会影响电路规划,但也可以在不增加独自电容器的状况下构建相似于DRAM的单元,然后,floating body效应便代替了惯例电容器。由于电容器坐落晶体管的下方(而不是像惯例DRAM那样与晶体管相邻或坐落晶体管上方),所以称号“ Z-RAM”的另一个意义是它沿负z方向延伸。

在Z-RAM存储单元中,经过运用磕碰电离发生剩余的空穴和残留的正电荷,逻辑状况存储在晶体管的浮体中。与DRAM中的电容器不同,读取操作不会测验直接丈量存在的电荷量。取而代之的是,电荷将栅极阈值电压改变为大约1伏,然后供给了可观的读取噪声容限。



RAM是在规范SOI逻辑进程中完成的,因而它将在逻辑上迁移到SOI地点的相同运用程序区域中。有报导称,它在速度、功率和密度方面的广泛可装备性使它简直可以运用于任何运用高速内存的当地,特别是在高性能SOI运用程序中。

可是,跟着传统SRAM制作技能的前进(最重要的是,向32nm制作节点的过渡),Z-RAM失掉了它的优势。

这种趋势也反响在其商业运用上。据维基百科的介绍显现,尽管AMD在2006年同意了第二代Z-RAM,但该处理器制作商在2010年1月抛弃了Z-RAM方案。相似地,DRAM出产商SK Hynix也在2007年授权Z-RAM用于DRAM芯片,Innovation Silicon在2010年3月宣告,他们正在联合开发一种非SOI版别的Z-RAM,可以用更低本钱的批量CMOS技能出产,但该公司在2010年6月29日关闭了。随后,其专利组合于2010年12月被美光科技收买。

别的一种途径

 

与无电容器DRAM这种方法比较,IBM则提出了别的一种方法,这也被视为是推进DRAM持续开展的别的一条途径。

IBM表明,曩昔的二十年中,人们一直在测验脱节电容器,然后进一步削减DRAM单元的面积和制作本钱。而为了进一步缩小尺度,拆掉电容器简直已成为燃眉之急。这就要求做到在不削减可存储电荷量的状况下,缩小cell的横向尺度,那就留出了一条可供制作的途径,即:使电容器“藏”得更深。


但IBM指出,从长远来看,这是一个瓶颈,这不仅是由于几许(geometrical)束缚,并且还由于“孔”(well)顶部的电荷堆集使运用整个存储容量更具应战性。而将电荷存储在晶体管主体中已被认为是进一步缩小尺度的最佳战略。研制人员现已运用硅对无电容器DRAM cell的不同变体进行了试验研讨。可是很少有人重视根据代替半导体资料的相似概念。在2019年的《天然电子杂志上》,IBM展现了有史以来最小的无电容器DRAM,其存储单元长度只要14纳米。

这是一个单晶体管,无电容器的DRAM cell,它运用晶体管主体作为一种电容器,其间的电荷(在这种状况下为空穴)被暂时存储在其间。电子空穴从晶体管主体的注入和抽出使得可以调理晶体管的静电行为,然后导致两个不同的电流水平。像InGaAs这样的III-V资料一般具有比硅更小的带隙,而硅原则上具有在低得多的电压下作业的潜在优势。反过来,这转化为或许更低的功耗。

IBM便利表明,他们现已证明了无电容器MSDRAM cell的栅极长度为14纳米的可行性。经过运用晶体管本体来存储电子空穴数量,咱们可以取得对应于二进制状况0和1的两个不同的电流电平。而该存储器概念的试验完成证明了TCAD仿真取得的成果。

与根据硅的完成比较,IBM运用InGaAs的新颖概念为完成DRAM存储器的活跃小型化供给了一条有期望的途径,一起还降低了功耗。从有关性能指标(例如保存时刻)的这一概念进一步改善的潜力,而IBM艰苦存在可行的战略来完成这些改善。

从这些新技能的呈现中,咱们得以预见,DRAM正在敞开新一轮的改变。而哪种技能可以代替现在的DRAM,还需要商场的检测。
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