أرسل رسالة

أخبار

March 11, 2021

المزيد من البيانات ، المزيد من مشاكل تحجيم الذاكرة

تواجه الذكريات من جميع الأنواع ضغوطًا مع تزايد الطلبات على سعة أكبر وتكلفة أقل وسرعات أعلى وطاقة أقل للتعامل مع هجوم البيانات الجديدة التي يتم إنشاؤها يوميًا.سواء أكان ذلك من أنواع الذاكرة الراسخة أو الأساليب الجديدة ، فإن العمل المستمر مطلوب لمواصلة التوسع للأمام مع تزايد حاجتنا للذاكرة بوتيرة متسارعة.

قال ناجا شاندراسيكاران ، نائب الرئيس الأول لتطوير التكنولوجيا في ميكرون في عرض تقديمي عام في مؤتمر IEDM الأخير ، "البيانات هي الاقتصاد الجديد لهذا العالم".

أعطى Chandrasekaran بعض الأمثلة التي توضح الانفجار في البيانات.بالنسبة للرعاية الصحية وحدها ، أنتجت الصناعة 153 إكسابايت من البيانات في عام 2013 ، وهو رقم نما على الأرجح بمقدار 15 مرة في عام 2020. وهناك أيضًا 10 مليارات جهاز محمول قيد الاستخدام ، كل منها سينشئ ويخزن ويشارك ويدفق مجموعات بيانات جديدة .على المستوى العالمي ، يبلغ إجمالي كمية البيانات التي يتم إنشاؤها كل يوم في مكان ما حوالي 2.5 كوينتليون بايت ، ويتزايد العدد بسرعة.

كانت هذه الموجة من البيانات دافعًا كبيرًا وراء نمو صناعة الرقائق في عام 2020. في ندوة استراتيجية الصناعة في SEMI هذا الأسبوع ، أشار المحللون إلى ذلك باعتباره أحد المفاجآت الكبرى في استمرار نمو صناعة الرقائق ، على الرغم من التوقعات بأن الأرقام ستنخفض بسبب الوباء .

قال ماريو موراليس ، نائب رئيس برنامج تمكين التقنيات وأشباه الموصلات في IDC: "كانت الذاكرة عنصرًا مهمًا"."نمت الذاكرة بنسبة 10.8٪.لكن NAND نمت بأكثر من 30٪ ".

تتطلب كل هذه البيانات ذاكرة طوال دورة حياتها ، وقد وضع عرض IEDM ثلاث اهتمامات رئيسية لثلاث فئات من الذاكرة: DRAM و NAND flash والتقنيات الناشئة.

تحديات تحجيم الذاكرة الحيوية
يظل DRAM مكونًا رئيسيًا لمعظم الحلول.لقد ثبت أنها رخيصة وموثوقة بشكل عام.لكنها أيضًا بعيدة عن الكمال.القضايا الثلاث التي تم تسليط الضوء عليها في IEDM تتعامل مع مطرقة التجديف وهامش الإحساس ومكدس البوابة.

"على جانب جهاز DRAM مع التحجيم الجانبي المستمر ، نواجه تحديات مع مطرقة الصفوف ، وهي ظاهرة معروفة على نطاق واسع حيث عندما تتم معالجة سطر كلمة باستمرار [أي يتم التوصل إليه] ، تميل الشحنة إلى التراكم في مواقع المصائد قال شاندراسيكاران من ميكرون."في وقت لاحق ، عندما يتم الإفراج عن هذه التهم ، بسبب انتشار الانجراف ، فإنها تهاجر إلى البتات المجاورة وتؤدي إلى زيادة الشحن.يمكن أن يتسبب ذلك في حدوث آلية لفقدان البيانات ويمكن أن يمثل تحديًا أمنيًا ".

تفسد الشحنات المنجرفة ببطء محتويات الخلايا المجاورة - قليلاً مع كل وصول.بعد مرات كافية في تتابع سريع ، يمكن أن تفقد الخلايا المصابة حالتها قبل دورة التحديث التالية.

وتوافقه الرأي ويندي الصاسر ، المهندسة المتميزة في شركة Arm.وقالت: "تظل مطرقة التجذيف مصدر قلق أمني كبير ، وقد تم توثيقها في أوراق متعددة حول كيفية تقليب البتات للوصول إلى مناطق آمنة من الذاكرة".

هذه ليست مشكلة جديدة ، لكن المشكلة الأساسية تزداد سوءًا مع كل جيل.قال شاندراسيكاران: "بينما نقوم بتوسيع نطاق الذاكرة الحيوية باستخدام القياس المستوي ، يمكن أن يصبح تأثير الخلية المجاورة تأثيرًا قريبًا لخلية مجاورة ، وتميل المزيد من الخلايا إلى التأثير"."وهذه المشكلة تزداد سوءًا مع استمرارنا في توسيع نطاق DRAM أرق."

نظرًا لأن هذه كانت مشكلة صعبة للتخلص منها تمامًا ، فقد ركزت الحلول على التحكم - إما إصدار تحديث مبكر لإعادة إنشاء أي خلايا ضعيفة أو منع الوصول الإضافي بعد الوصول إلى حد.أضافت JEDEC بعض الأوضاع والأوامر ، مع التركيز على كل من شريحة DRAM ووحدة التحكم DRAM ، ولكن هذه عوامل تخفيف وليست حلاً لمشكلة السبب الجذري.

يمكن إضافة المنطق إلى ذاكرة DRAM نفسها لاكتشاف الهجمات المحتملة ، ويعمل منشئو IP للذاكرة على بناء وسائل حماية أقوى.أشار فاديراج سانكارانارايانان ، مدير التسويق الفني الأول في سينوبسيس ، "إننا ننفق منطق الأجهزة لاكتشاف مثل هذه الوصول ، ثم نحد بشكل استباقي من الوصول إلى تلك الصفوف"."لكنها ليست فعالة في الأداء.قد يكون البديل هو التحديث الاستباقي للصفوف المجاورة لتلك الصفوف التي تم التوصل إليها ".

لأسباب تتعلق بالأداء والطاقة ، تم وضع جزء من مسؤولية اكتشاف الهجمات على وحدة التحكم.وأضاف سانكارانارايانان "هناك مجموعة متنوعة من التقنيات التي يمكن استخدامها في وحدة التحكم ، لأن وحدة التحكم هي التي تنظم حركة المرور المتجهة إلى القناة".

بالنسبة للسبب الجذري ، تستمر جهود هندسة تحسين الخلايا ، لكن الخلايا الضيقة تجعل هذا تحديًا مستمرًا - خاصة عندما يقترن بالحاجة إلى الحفاظ على أحجام القوالب معقولة وتقليل أي تكاليف إضافية للمعالجة أو المواد.

التحدي التالي عند توسيع نطاق DRAM ينطوي على تضييق هامش مكبر الصوت.قال شاندراسيكاران: "سينخفض ​​هامش الإحساس عندما تنخفض سعة الخلية ، مما يدفعنا إلى زيادة نسبة العرض إلى الارتفاع وإدخال مواد جديدة"."ولكن حتى مع المواد العازلة الأكثر مثالية - فجوة الهواء - فإن خصائص مقاومة خط البت / السعة سوف يتم تحديها أثناء قيامنا بالتوسع ، لأنه لا توجد مساحة تقريبًا بين خطي بت.وهذا يحد من المواد العازلة التي يمكننا وضعها ويتحدى في النهاية هامش الإحساس لدينا ".

بالإضافة إلى ذلك ، تؤدي الترانزستورات الأصغر بشكل غير مباشر إلى انخفاض هامش الإحساس.وقال: "نظرًا لانخفاض مساحة الترانزستور لمكبرات الاستشعار حتى نتمكن من الحصول على كفاءة أفضل للصفيف ، سيزداد تباين العتبة والجهد".هذا يمثل تحديًا خاصًا للدوائر التناظرية ، وسيتطلب عملاً مستمرًا من أجل التوسع المستمر.

التحجيم باستخدام مكدس البوابة التقليدية منخفضة التكلفة في DRAM يواجه أيضًا مشكلات في الطاقة والأداء.قال شاندراسيكاران: "إن بوابة CMOS متعددة الكريستالات والسليكون عالية الأداء مع تكنولوجيا أكسيد بوابة أكسيد السيليكون كانت هي السائدة في صناعة DRAM لعقود من الزمن"."إنه معروف جيدًا ، وهو حل جيد من حيث التكلفة.ومع ذلك ، فهي تواجه العديد من التحديات في تلبية مقياس EOT (سمك أكسيد مكافئ) المطلوب لتلبية الطاقة والأداء. "

الحل البديل هو أكسيد البوابة عالي K والبوابة المعدنية CMOS.كانت هاتان التقنيتان شائعتين في عالم التكنولوجيا المنطقية وهما خياران جذابان لتوسيع نطاق الذاكرة CMOS.سيوفر هذا أيضًا محركًا أفضل ، وتنوعًا أقل ، وخصائص مطابقة للترانزستور.

لكنها ليست مجرد مسألة تبديل العمليات.سيتطلب اعتماد هذه التقنية في الذاكرة هندسة جهاز دقيقة لتمكين الأجهزة الطرفية والحافة والتوافق الجيد مع تكامل الصفيف.وكل هذا يجب أن يحدث مع الحفاظ على القدرة على تحمل التكاليف المطلوبة في DRAM.

تحديات تحجيم فلاش ثلاثي الأبعاد
أدى الانتقال من ذاكرة فلاش NAND المستوية إلى ثلاثية الأبعاد ، في الوقت الحالي ، إلى التخفيف من مشكلة وجود عدد قليل جدًا من الإلكترونات المخزنة عن طريق زيادة حجم الخلية في الاتجاه الجديد.ولكن مع زيادة عدد الطبقات - بالفعل في مئات - فإن ترانزستورات CMOS المدمجة والقوة المادية ستحتاج إلى الاهتمام.

يتم وضع علامة على السلسلة الحالية حيث تصبح السلسلة أطول.قال شاندراسيكاران: "إن زيادة القياس الرأسي سوف تتحدى بالتأكيد سلسلة التيار وتجعل عملية الاستشعار أكثر صعوبة".يجب أن ينتقل تيار السلسلة إلى أسفل عبر الطبقات ثم يعود مرة أخرى.كلما زاد عدد الطبقات ، كلما كان هذا المسار أطول وأكثر مقاومة ، مما يؤدي إلى خفض التيار.

يتمثل التحدي الخاص في حقيقة أن مادة القناة عبارة عن بولي سيليكون ، مع انخفاض الحركة والاعتماد القوي على حجم الحبوب وكثافة المصيدة."إن التحكم في حجم الحبوب في هذه الهياكل ذات النسب العالية يمثل تحديًا كبيرًا.قال شاندراسيكاران: "هناك حاجة إلى طرق جديدة للترسيب والعلاج".

بدلاً من ذلك ، قد تساعد المواد الجديدة في الحفاظ على تيار السلسلة سليمًا.وقال: "هناك العديد من المواد الجديدة التي يتم اعتبارها أيضًا مواد قناة بديلة ، والتي من المحتمل أن تعمل على تحسين تيار السلسلة"."لكنها تقدم أيضًا تحديات جديدة من حيث آليات الموثوقية وخصائص الخلية نفسها."

يمكن أن يساعد أيضًا توسيع نطاق الصفوف (وهو عمودي) ، لكنه يقلل من حجم الخلية ، ويعود في اتجاه تخزين عدد قليل جدًا من الإلكترونات.سيصل هذا إلى حد في النهاية ويقلل من ميزة حجم الخلية الأكبر في 3D NAND إذا استمرت خطوة سطر الكلمات في التوسع.قال: "على المدى الطويل ، لن يكون لديك مساحة كافية للخلية ، وسوف نواجه نفس التحديات مثل NAND المستوية مع تأثيرات إلكترونية قليلة".

وفي الوقت نفسه ، هناك حاجة للانتقال إلى معالجة CMOS الأكثر تقدمًا للدوائر الطرفية من أجل مواكبة الطاقة والأداء المطلوبين.هذا يعكس الحاجة إلى الانتقال إلى بوابات عالية المعدن في DRAM - مما يجلب الحاجة إلى هندسة أجهزة دقيقة من أجل تلبية متطلبات كل من خلايا الذاكرة والمنطق.

وأخيرًا ، مع إضافة المزيد من الطبقات ، يصبح من الصعب الحفاظ على القالب رقيقًا بدرجة كافية للتطبيقات منخفضة المستوى مثل الهواتف المحمولة - مع الحفاظ على كمية كافية من السيليكون لمعالجة قوية.قال شاندراسيكاران: "على مدى الأجيال العديدة القادمة ، من أجل تلبية متطلبات عامل الشكل والحزمة لحلول الأجهزة المحمولة ، سيكون سمك الأجهزة النشطة أعلى السيليكون أعلى من سمك السيليكون نفسه"."إنها تخلق تحديات جديدة في التعامل مع الخلفية ، وتصبح صفحة الويفر مشكلة كبيرة.ستكون قوة القالب والتعامل مع الرقاقات تحديًا جديدًا يدفع تطوير تكنولوجيا المعدات الخلفية لدينا. "

تحديات الذاكرة الناشئة
تتنافس العديد من التقنيات على أن تكون الذاكرة الرئيسية التالية غير المتطايرة.وتشمل هذه ذاكرة تغيير الطور (PCRAM) ، وذاكرة الوصول العشوائي المقاومة (RRAM / ReRAM) ، وذاكرة الوصول العشوائي المقاومة للمغناطيسية (MRAM) ، وفي وقت سابق من عملية التطوير ، ذاكرة الوصول العشوائي الكهربائية الحديدية (FeRAM) ، وذاكرة الوصول العشوائي الإلكترونية المترابطة (CERAM).بينما وصلت PCRAM إلى مرحلة الإنتاج في ذاكرات إنتل المتقاطعة ، وتشهد STT-MRAM تكاملاً متزايدًا ، لا يمكن لأي من هذه التقنيات اليوم أن تدعي العبء المنفرد للشيء الكبير التالي.تتعلق التحديات الرئيسية إلى حد كبير بالموثوقية واستخدام المواد الجديدة.

MRAM هي واحدة من أكثر المشاركين تفاؤلاً في هذا السباق.أوضح مينج تشو ، مدير تسويق المنتجات في KLA: "MRAM هي نوع من الذاكرة تستخدم الحالات المغناطيسية للمواد لتخزين المعلومات ، والتي تختلف تمامًا عن الذكريات القائمة على الشحن مثل DRAM والفلاش".في حين أن هذا قد يبدو بسيطًا ، فإن بناء MRAM أكثر صعوبة من الذكريات الموجودة بسبب الطبقات الرقيقة والمواد المختلفة المستخدمة في تلك الطبقات.

وبالمثل ، يعتمد PCRAM على الكالكوجينيدات في خليته.تعتمد RRAMs على مادة عازلة رقيقة.ويحتاج FeRAM إلى مواد يمكن أن تتحول إلى حالة كهربية حديدية.CERAM في مرحلة مبكرة من التطوير لدرجة أن تركيبته لم يتم تأسيسها جيدًا بعد ، ولكن من المحتمل أن تكون هناك مواد جديدة وتجميع دقيق.

السؤال بالنسبة لجميع أنواع الذاكرة الجديدة هذه هو كيف ستصمد بمرور الوقت وعلى مدى ملايين عمليات القراءة / الكتابة.قال شاندراسيكاران: "تواجه العديد من حلول الذاكرة الناشئة الرائدة تحديات آلية الموثوقية الجديدة التي يجب فهمها".

توفر MRAM ، كونها أبعد من بعض التقنيات الأخرى ، مثالًا جيدًا لأنواع التفاصيل المهمة.قال Zhu: "آلية الانهيار الرئيسية لـ MRAM هي تآكل حاجز MgO الرقيق"."عندما يكون للحاجز عيوب ، مثل الثقوب أو نقاط ضعف المادة ، يمكن أن تنخفض مقاومة التقاطع تدريجيًا بمرور الوقت ويمكن أن تؤدي أيضًا إلى انخفاض مفاجئ في المقاومة (الانهيار)."

لا يزال يتعين على أنواع الذاكرة الأخرى تحديد آليات الموثوقية الخاصة بها وإدارتها.لا تزال أسئلة التحمل والاحتفاظ بالبيانات قائمة ، كما أن تطور مقاومة الخلايا بمرور الوقت له أهمية بالغة - خاصةً عندما يُنظر في استخدام الخلايا في الذكريات التناظرية لتطبيقات مثل الحوسبة داخل الذاكرة للتعلم الآلي.

للإضافة إلى التحديات ، فإن العديد من خلايا الذاكرة الجديدة هذه حساسة لدرجة الحرارة ، وقد لا تتفاعل موادها بشكل جيد مع بعض الغازات الراسخة والمواد الكيميائية الأخرى المستخدمة تقليديًا في عملية أشباه الموصلات.

قال شاندراسيكاران: "معظم المواد المستخدمة في حلول الذاكرة المتقدمة هذه حساسة لدرجة الحرارة والمواد الكيميائية"."يتطلب هذا إدخال المعالجة ذات درجات الحرارة المنخفضة والتحكم في البيئة في الأقمشة الجاهزة لدينا ، كما أنه يحد من استخدام الغازات والمواد الكيميائية المعروفة لأنها تميل إلى التفاعل مع مواد الخلية وتؤثر على أدائها.لن تجعل هذه القيود من الصعب معالجة هذه المواد فحسب ، بل ستضيف أيضًا المزيد من التكلفة ".سيكون تحديد التدفق الذي يستخدم درجات حرارة منخفضة ويمنع تدهور الخلايا الكيميائية ضروريًا لهذه الذكريات للدخول في التيار الرئيسي.

في حين أن قائمة التحديات المقدمة في IEDM ليست شاملة بأي حال من الأحوال ، إلا أنها تقدم للصناعة مجموعة من التحسينات الصعبة التي يجب إجراؤها من أجل الحفاظ على التوسع بوتيرة يمكنها مواكبة متطلبات النظام المتطورة.تتطلب المزيد من البيانات مزيدًا من المعالجة والمزيد من الذاكرة ، وهناك الكثير من الطرق لمعالجة هذه المشكلة.ولكن لا توجد طريقة واحدة لحل جميع المشكلات ، ومع إنشاء المزيد من البيانات وإدخال المزيد من أنواع الذاكرة ، ستكون هناك مشكلات إضافية لم يتم اكتشافها حتى الآن.

تفاصيل الاتصال