¿Cuál es el futuro de la memoria? Intel es sin duda uno de los fabricantes que más ha apostado por las tecnologías del futuro. Desde Rambus DRAM hasta la posterior memoria Optane 3DXpoint, ha mostrado su exploración y deseo de tecnologías más avanzadas. Desafortunadamente, estas dos tecnologías de memoria en las que Intel tenía grandes esperanzas finalmente fueron condenadas a muerte por sus propias manos, lo que hace que la gente suspire.
Y después del telón de Optane, ¿qué tecnologías merecen la atención de todos?
Tom Coughlin de Coughlin Associates y Jim Handy de Objective Analysis publicaron recientemente un informe. Dos analistas de semiconductores realizaron un análisis detallado de las perspectivas de cinco tecnologías de almacenamiento emergentes, de las que podemos vislumbrar el desarrollo tecnológico.
Los analistas primero resumieron las lecciones aprendidas del fracaso de Optane. La esencia de la fabricación de semiconductores es que cuanto mayor sea la producción, menor será el costo. Con Optane, Intel podría haber aumentado la capacidad de producción para reducir los precios e impulsar las ventas de chips. Sin embargo, la capacidad de producción inicial de Optane no era suficiente, lo que significaba que el coste de los chips era mayor y tuvo que soportar esta parte de la pérdida. Las ventas deben seguir aumentando hasta que se justifique el aumento de la capacidad de producción y, en última instancia, se reduzca el coste de cada chip, obteniendo así un beneficio sustancial.
Esto también muestra que las economías de escala pueden desempeñar un papel más importante de lo que pensamos en el mercado de memoria emergente, y el informe llega a la conclusión de que el volumen de obleas debe estar cerca del 10% del volumen de las tecnologías competidoras para lograr la paridad de costos.
En el proceso del fracaso gradual de Optane, cinco tecnologías de almacenamiento emergentes han comenzado a aparecer en el escenario, incluyendo MRAM, memoria de cambio de fase (PCM), RAM ferroeléctrica (FERAM), memoria RAM resistiva (ReRAM) y NRAM/UltraRAM. Se espera que superen las limitaciones de expansión de NAND y NOR y consuman menos energía que DRAM y SRAM.
01
Marco/FeRAM
FRAM, inventada en 1952, es la memoria emergente más antigua. Hoy en día, hay más de 4 mil millones de chips FRAM instalados en diversos dispositivos. Aunque lleva hierro en su nombre, FRAM no utiliza hierro. Simplemente tiene un bucle de histéresis similar al ferromagnetismo, y este bucle de histéresis le permite almacenar datos.
El principio de FRAM es explotar las propiedades físicas únicas de ciertas redes cristalinas. En los materiales ferroeléctricos, los átomos pueden ocupar una de dos posiciones estables dentro de la red. El campo eléctrico mueve los átomos móviles dentro de la red a una de las dos posiciones estables, dependiendo de la polaridad del campo eléctrico y alguna propiedad física (quizás capacitancia o resistencia), dependiendo de la posición del átomo atrapado.
Actualmente hay muchos fabricantes que siguen produciendo FRAM. Por ejemplo, Infineon produce principalmente chips FRAM discretos, mientras que Texas Instruments y Fujitsu integran la tecnología en MCU. Fujitsu también incorpora FRAM en los billetes de metro. La razón principal de este uso es que el consumo de energía de escritura de FRAM es relativamente el más bajo entre las tecnologías de almacenamiento.
¿Por qué tardó tanto en inventarse FRAM, por qué aún se desconoce después de que se han producido miles de millones de chips y todavía figura como una tecnología de almacenamiento emergente?
La razón es que anteriormente FRAM se basaba principalmente en titanato de circonato de plomo (PZT) y tantalato de bismuto y estroncio (SBT), pero ambos materiales contienen plomo o bismuto, lo que contaminará la fábrica y limitará su capacidad de producción. Afortunadamente, en 2011 se descubrió que el óxido de hafnio (HfO) tiene propiedades ferroeléctricas bajo determinadas condiciones. HfO es la base del dieléctrico de compuerta de alto K utilizado en FinFET. No sólo resuelve el problema de la capacidad de producción, sino que tampoco causa contaminación. Por lo tanto, aunque el HfO no se ha utilizado oficialmente para la producción, las perspectivas de futuro son muy brillantes.
En comparación con la memoria flash, las ventajas de FRAM incluyen un menor consumo de energía, velocidades de escritura más rápidas y una mayor resistencia máxima de lectura/escritura. FRAM tiene un tiempo de retención de datos de más de 10 años a +85°C (hasta décadas a temperaturas más bajas), pero también tiene sus propias desventajas, es decir, la densidad de almacenamiento es mucho menor que la de los dispositivos de memoria flash, la capacidad de almacenamiento es limitada y el costo es mayor. A partir de 2021, el tamaño de almacenamiento (densidad) de los chips vendidos por diferentes proveedores no supera los 16 MB.
Actualmente, FRAM se está integrando en chips a través de la tecnología CMOS, lo que permite que las MCU tengan su propia memoria FRAM, que consta de menos etapas de las necesarias para integrar la memoria flash en los chips de MCU, lo que reduce significativamente los costos.
02
PCM
Debido al lanzamiento de la memoria Optane por parte de Intel, la memoria de cambio de fase (PCM o PRAM) ha sido durante mucho tiempo líder en ingresos entre las tecnologías de memoria emergentes. De hecho, ya en 1970, Gordon Moore, Ron Neale y D-L Nelson de Intel coescribieron un artículo sobre el prototipo PCM de 256 bits. Su historia de investigación y desarrollo es larga y no es inferior a otras tecnologías de almacenamiento.
El origen del PCM se remonta a 1960, cuando Ovshinsky estableció el Laboratorio de Conversión de Energía para estudiar materiales amorfos y sus características de cambio de fase. El laboratorio pasó a llamarse Dispositivos de conversión de energía (ECD) en 1964, y una de las muchas innovaciones de Ovshinsky fue la memoria de cambio de fase Ovonics que lleva su nombre. Intel finalmente cooperó con ECD para obtener la licencia de propiedad intelectual para la memoria de cambio de fase Ovonics y lanzó oficialmente 3DXPointPCM en 2015.
Además de Intel, STMicroelectronics ha producido microcontroladores (MCU) con memoria de programa PCM, y fabricantes de almacenamiento como Samsung y Micron también produjeron en masa productos de reemplazo de memoria flash PCMNOR hace más de diez años, pero la existencia de estos productos fue bastante corta.
La base del PCM es un material de vidrio depositado sobre un chip lógico CMOS estándar. Este material cambia de estado según las características del vidrio. El vidrio cambia de un estado cristalino a un estado amorfo, correspondiente a un estado conductor o resistivo respectivamente. Hay dos formas de aumentar la capacidad de almacenamiento: una es el apilamiento tridimensional, en el que se centran Intel y Micron, y la otra es la tecnología de valores múltiples, en la que IBM ha logrado grandes avances.
En comparación con la memoria flash, PCM tiene muchas ventajas, como una gran capacidad de integración, excelente repetibilidad, buena estabilidad y compatibilidad con procesos CMOS. De hecho, hasta el momento no se ha encontrado ningún límite físico claro para el PCM. Cuando el espesor del material de cambio de fase se reduce a 2 nm, el dispositivo aún puede sufrir un cambio de fase.
La mayor ventaja de PCM es que puede utilizar una configuración de punto cruzado para almacenar datos en la intersección de dos líneas conductoras ortogonales, lo que facilita el apilamiento, lo que hace que el tamaño del chip y el costo de producción sean más bajos que cualquier tecnología madura, excepto 3D NAND.
Pero el PCM también tiene deficiencias que no pueden ignorarse. El calor sigue siendo un problema importante. Aunque la memoria es térmicamente estable y puede manejar aplicaciones de alta temperatura, el calor generado al programar una celda puede afectar a las celdas vecinas. El calentamiento local puede causar espacios por encima de la batería. Además, la capacidad de la memoria flash para almacenar y detectar múltiples bits por celda le otorga una ventaja en capacidad de almacenamiento sobre PCM.
En los últimos años, ha habido un gran interés en la aplicación de PCM en la informática en memoria. La idea es realizar tareas informáticas, como operaciones de multiplicación de matrices y vectores, en la propia matriz de memoria aprovechando las capacidades de almacenamiento analógico de PCM y las leyes de circuitos de Kirchhoff. En 2021, IBM lanzó un núcleo informático de memoria maduro basado en PCM multinivel integrado en el nodo de tecnología CMOS de 14 nm.
03
MRAM
La RAM magnética (MRAM) es una tecnología basada en los principios físicos de toda grabación magnética (discos duros, cintas, etc.), pero su método de aplicación elimina elementos mecánicos. A día de hoy, Everspin, una empresa nacida de los resultados de las investigaciones de Motorola y Freescale, es líder en esta tecnología, con unos ingresos operativos de 44 millones de dólares en 2021.
Además, Avalanche y Numem se han unido recientemente a las filas de productores de MRAM, y fundiciones como TSMC, GlobalFoundries y Samsung han lanzado procesos MRAM integrados. Actualmente, los procesos MRAM han comenzado a utilizarse en SoC para aplicaciones de IoT y dispositivos de micropotencia.
Existen muchos tipos de MRAM, pero sus estructuras son muy similares. Todos utilizan capas de cobalto y magnesio como una combinación de sensores de magnetorresistencia gigante (GMR) y elementos de conmutación magnéticos. También se utilizan ampliamente en cabezales de lectura/escritura de discos duros. Su principal ventaja es la velocidad. Mucha gente ha imaginado que la MRAM podría reemplazar a la SRAM de alta velocidad en el futuro.
Después de años de investigación, MRAM se ha dividido en varios tipos y rutas: STT-MRAM resuelve eficazmente el problema de la "pérdida" de energía de la memoria SRAM cuando está inactiva; SOT-MRAM mejora significativamente la durabilidad y la estabilidad de lectura del dispositivo, eliminando la apertura inherente a los dispositivos STT-MRAM. Retraso de apagado; VCMA-MRAM reduce aún más el consumo de energía de STT-MRAM, pero la velocidad de escritura es relativamente lenta; VG-SOT combina las ventajas de los dos primeros, pero el proceso de fabricación es más complejo y es necesario verificar el funcionamiento; (VG-)SOTMRAM tiene un mayor potencial en la computación con memoria simulada...
A lo largo de los años, han surgido diferentes tipos de dispositivos de memoria MRAM, con compensaciones entre velocidad de escritura, confiabilidad, consumo de energía y consumo de área, con aplicaciones completamente diferentes dependiendo de características específicas, como STT-MRAM para memoria flash integrada y caché de último nivel, SOT-MRAM para caché de nivel inferior, VCMA-MRAM para aplicaciones de consumo de energía ultrabaja y, finalmente, VG-MRAM. VG-SOTMRAM sirve como caché unificado definitivo y también tiene las ventajas de la computación en memoria.
En MRAM, los datos normalmente se almacenan en una capa "libre" cuyo magnetismo se puede cambiar y comparar con una capa "fija" establecida durante la producción, y el sensor GMR es responsable de detectar la diferencia entre las dos. La mayor diferencia entre la mayoría de las variantes de MRAM es cómo se escriben los datos. Toda MRAM utiliza al menos un transistor por celda de bit, mientras que muchas MRAM utilizan dos transistores y consumen una corriente considerable, lo que hace que su producción sea menos rentable que otras tecnologías.
MRAM tiene ciclos de lectura/escritura compatibles con SRAM, lo que la hace especialmente adecuada para aplicaciones que deben almacenar y recuperar datos con una latencia mínima. Combina con éxito baja latencia, bajo consumo de energía, persistencia infinita, escalabilidad y no volatilidad.
Como tecnología magnética, MRAM es inherentemente resistente a la radiación, lo que la hace popular para aplicaciones aeroespaciales que también son menos sensibles al precio. Además, MRAM ha encontrado un lugar en el almacenamiento empresarial, como los módulos centrales de memoria flash de IBM, donde la MRAM de Everspin se utiliza como buffer en caso de cortes de energía inesperados.
MRAM también tiene amplias perspectivas en aplicaciones industriales. Los analistas dijeron que las aplicaciones industriales requieren capacidades de escritura muy rápidas y almacenamiento no volátil. Sin embargo, la memoria flash NAND, la memoria flash NOR y la EEPROM son muy lentas de escribir y consumen mucha energía. SRAM con baterías adicionales necesita reemplazar la batería cada pocos años. Por el contrario, MRAM parece estar a gusto en estos escenarios.
La industria automotriz es una de las razones importantes por las que MRAM es tan popular. Debido a la creciente demanda de MCU y al creciente costo de la memoria flash, muchos proveedores han comenzado a cambiar de la memoria flash a la eMRAM. En 2022, Renesas Electronics anunció el lanzamiento de chips de prueba STT-MRAM. Dijo que, en comparación con la memoria flash fabricada con FEOL, la MRAM fabricada con BEOL tiene ventajas en procesos por debajo de 22 nm porque es compatible con la tecnología de proceso lógico CMOS existente y requiere menos capas de máscara adicionales.
IBM es más optimista. "En unos tres años, podrás señalar cada automóvil nuevo en la calle y decir que ese automóvil tiene eMRAM", dijo Daniel Worledge, distinguido investigador y gerente senior de IBM. "Ya no hay flash integrado en los nodos avanzados, todas las fundiciones han dejado de desarrollarlo y el período de transición es de 22 nm y 28 nm, dependiendo de la fundición".
04
ReRAM/RRAM
En 1971, Leon Chua de la Universidad de California, Berkeley, escribió un artículo teórico titulado "Memristor: el elemento faltante del circuito". El artículo describe un cuarto dispositivo electrónico pasivo básico, un memristor, que puede regular la corriente que fluye a través de sí mismo en función de la cantidad de carga que previamente fluyó a través del dispositivo. En este punto, el memristor es sólo una teoría, un dispositivo hipotético que satisface los requisitos de simetría de las ecuaciones que describen el comportamiento de otros tres componentes electrónicos pasivos básicos: resistencias, condensadores e inductores.
Casi cuarenta años después, en 2008, HP Labs anunció que había creado con éxito un memristor utilizando dióxido de titanio. Memristor es un dispositivo no binario que se puede utilizar para almacenar datos analógicos o digitales. En ese momento, algunas personas predijeron que la DRAM estaba a punto de morir y que el memristor sería reemplazado en forma de memoria resistiva o RRAM. En ese momento, HP declaró que utilizaría RRAM en su próxima computadora lunar.
Pero en 2015, HP revocó su decisión y dijo que usaría DRAM en lugar de memristores en su computadora lunar. Quince años después de que HP anunciara el éxito de la producción de memristores, la revolución de la RRAM aún no se ha producido y no parece que vaya a suceder pronto.
Al igual que la MRAM, existen varias variaciones de RAM resistiva (ReRAM o RRAM), todas ellas fabricadas depositando materiales especiales sobre la lógica CMOS estándar.
El proceso de fundición de ReRAM cuenta con el respaldo principal de TSMC, Winbond y GlobalFoundries. Renesas (mediante la adquisición de Adesto), Fujitsu, Microchip y Sony producen ReRAM como productos independientes. Nuvoton Technology lo utiliza en microcontroladores. Actualmente, muchas empresas alrededor del mundo están desarrollando procesos ReRAM.
El principio técnico de ReRAM es que en una celda RAM resistiva, la corriente eléctrica pasa a través de dos cables para detectar si la resistencia de la celda de bits es alta o baja. Normalmente, el estado de la celda se cambia aumentando el voltaje en la dirección positiva o negativa, aumentando o disminuyendo así la resistencia de la celda. Esto se logra moviendo elementos conductores como, por ejemplo, iones metálicos o vacantes de oxígeno hacia el puente, o retirando estos elementos del puente existente. Se podría argumentar que la mayoría de las otras tecnologías de memoria emergentes (PCM, MRAM y FRAM) entran en la categoría ReRAM porque también utilizan resistencias variables para indicar el estado de los bits de memoria.
La característica clave de ReRAM es que, al igual que PCM, se puede integrar en celdas de puntos de cruce para apilar y, debido a que los valores lineales se pueden almacenar en una celda de un solo bit, también se puede usar en redes neuronales en el futuro.
La principal ventaja de ReRAM es que consume menos energía y no necesita consumir mucha energía para mantener el estado de almacenamiento como los dispositivos de almacenamiento tradicionales. Algunos materiales RRAM también tienen múltiples estados de resistencia, lo que permite almacenar múltiples bits de datos en una unidad de almacenamiento, aumentando así la densidad de almacenamiento. Sin embargo, no tiene ventajas sobre otras tecnologías emergentes en términos de velocidad de lectura y escritura aleatoria y durabilidad.
Con el paso de los años, el número de solicitudes de patentes relacionadas con la tecnología ReRAM ha ido aumentando. Especialmente después de 2010, el número de solicitudes de patentes ha aumentado significativamente. Samsung tiene actualmente el mayor número de patentes relacionadas, seguida de Micron y SK Hynix. Los principales fabricantes de almacenamiento han expresado interés en esta tecnología.
05
NRAM/UltraRAM
NRAM es la tecnología de memoria informática patentada por Nantero. Se trata de una memoria de acceso aleatorio no volátil basada en la ubicación de nanotubos de carbono depositados sobre un sustrato similar a un chip. En teoría, el pequeño tamaño de los nanotubos permite una memoria de muy alta densidad.
Nantero ha pasado casi 20 años trabajando en NRAM, que funciona de manera diferente a otros dispositivos de memoria. Está hecho de capas de nanotubos de carbono cultivados a partir de partículas de catalizador, más comúnmente hierro. Cada "celda" o transistor NRAM está compuesto por una red de nanotubos de carbono y funciona según el mismo principio que otras tecnologías de RAM no volátiles. Los nanotubos de carbono que no están en contacto entre sí exhiben un estado de alta resistencia, que representa el estado "apagado" o "0"; cuando los nanotubos de carbono están en contacto entre sí, exhiben un estado de baja resistencia, que representa el estado "encendido" o "1".
En comparación con NAND y DRAM, NRAM tiene un menor consumo de energía, un consumo de energía casi nulo en modo de espera, una velocidad de escritura más rápida y una escalabilidad ilimitada. FRAM no puede superar los 100 nanómetros, la EEPROM generalmente mide más de 60 nanómetros, NORFlash mide más de diez nanómetros y la NRAM puede avanzar a 5 nanómetros, y hay un espacio relativamente grande para una futura expansión.
Otra ventaja importante de la NRAM sobre la memoria flash tradicional es su resistencia, que permite ciclos de lectura y escritura casi ilimitados. También son resistentes al calor, al frío, a las interferencias electromagnéticas y a la radiación. Nantero dijo que pueden almacenarse a 85 grados Celsius durante miles de años y han sido probados a 300 grados Celsius durante 10 años sin perder ni un solo bit de datos.
La NRAM se puede utilizar no sólo para el almacenamiento de datos sino también para el almacenamiento de programas. Esta característica es muy atractiva para el mercado de la electrónica de consumo. Actualmente, se están llevando a cabo proyectos de desarrollo de productos para NRAM independiente y NRAM integrada. La NRAM independiente se busca con tres propósitos: para reemplazar DRAM, para reemplazar flash NAND y para aplicaciones donde ni DRAM ni NAND flash son direccionables. En el campo de la memoria integrada, se está trabajando para utilizar la NRAM integrada para reemplazar la memoria no volátil integrada, incluida la memoria flash integrada o la RAM integrada (SRAM o DRAM).
En 2016, Fujitsu y USJC anunciaron que habían llegado a un consenso con Nantero y obtuvieron la autorización de tecnología NRAM para llevar a cabo el desarrollo, diseño y producción de NRAM. Como primera generación de productos NRAM, se espera que los productos de interfaz DDR3SPI de 16 Mbit de Fujitsu se lancen alrededor de 2021.
06
Resumir
Con el auge de la IA, el Internet de las cosas y otros campos, la aplicación de big data se está generalizando cada vez más, y estos nuevos campos han dado lugar a nuevas demandas de almacenamiento. Velocidad de lectura rápida, alta densidad de almacenamiento, larga vida útil, bajo voltaje y tamaño más pequeño se han convertido en las necesidades más urgentes en la actualidad, pero los distintos tipos de almacenamiento actuales ya no son adecuados.
Esto también ofrece nuevas oportunidades para las cinco tecnologías de almacenamiento mencionadas anteriormente. Independientemente de la tecnología de almacenamiento, cada una tiene su propia singularidad y enormes ventajas sobre la memoria flash. Entre ellas, MRAM se ha convertido en la tecnología más optimista entre los analistas de semiconductores debido a su gran variedad de tipos, amplias perspectivas de aplicación y evidentes ventajas integrales.
Pero esto no significa que MRAM sea un ganador seguro. Con el desarrollo y aplicación de otras tecnologías de almacenamiento, existe la posibilidad de sustituirla. Queda por ver qué tecnología de almacenamiento es el futuro.
acceso:
Centro comercial Jingdong