Mesaj gönder

Haberler

March 11, 2021

Daha Fazla Veri, Daha Fazla Bellek Ölçeklendirme Sorunu

Daha fazla kapasite, daha düşük maliyet, daha yüksek hızlar ve günlük olarak üretilen yeni verilerin saldırılarını idare etmek için daha düşük güç talepleri arttıkça, her türden anılar baskılarla karşı karşıya.İster yerleşik bellek türleri isterse yeni yaklaşımlar olsun, bellek ihtiyacımız hızlanan bir hızla büyüdükçe ölçeklendirmeyi ilerletmek için sürekli çalışma gereklidir.

Micron'daki teknoloji geliştirmeden sorumlu kıdemli başkan yardımcısı Naga Chandrasekaran, son IEDM konferansındaki genel sunumunda “Veri bu dünyanın yeni ekonomisidir” dedi.

Chandrasekaran, verilerdeki patlamayı gösteren bazı örnekler verdi.Yalnızca sağlık hizmetleri için, endüstri 2013'te 153 eksabayt veri üretti ve bu sayı 2020'de 15 kat arttı. Ayrıca kullanımda olan ve her biri yeni veri setleri oluşturacak, depolayacak, paylaşacak ve yayınlayacak 10 milyar mobil cihaz var. .Küresel ölçekte, her gün üretilen toplam veri miktarı 2,5 kentilyon bayt düzeyinde bir yerde ve sayı hızla artıyor.

Bu veri dalgası, çip endüstrisinin 2020'deki büyümesinin arkasındaki büyük etken oldu. Bu hafta SEMI'nin Endüstri Stratejisi Sempozyumunda, analistler, salgın nedeniyle sayıların artacağı beklentilerine rağmen, devam eden çip endüstrisi büyümesindeki büyük sürprizlerden biri olduğuna işaret ettiler. .

IDC'de teknolojileri ve yarı iletkenleri etkinleştirmek için program başkan yardımcısı Mario Morales, "Bellek önemli bir unsurdu" dedi.“Hafıza% 10,8 büyüdü.Ancak NAND% 30'dan fazla büyüdü. "

Tüm bu veriler, yaşam döngüsü boyunca bellek gerektirir ve IEDM sunumu, üç bellek kategorisi için üç temel endişeyi ortaya koydu: DRAM, NAND flash ve yeni teknolojiler.

DRAM ölçeklendirme zorlukları
DRAM, çoğu çözümün önemli bir bileşeni olmaya devam etmektedir.Kanıtlanmış, ucuz ve genellikle güvenilirdir.Ama aynı zamanda mükemmel olmaktan da uzak.IEDM'de vurgulanan üç konu, kırıcı, algılama marjı ve kapı yığını ile ilgilidir.

"Sürekli yanal ölçeklendirmenin olduğu DRAM cihaz tarafında, bir kelime satırına sürekli olarak hitap edildiğinde [yani dövüldüğünde], yükün tuzak bölgelerinde birikme eğiliminde olduğu, yaygın olarak bilinen bir fenomen olan sıralı çekiçle ilgili zorluklarla karşı karşıyayız. arayüzde, ”dedi Micron'dan Chandrasekaran.Daha sonra, bu yükler serbest bırakıldığında, sürüklenme difüzyonu nedeniyle, komşu bitlere göç ederler ve yük kazanımı ile sonuçlanırlar.Bu, bir veri kaybı mekanizmasına neden olabilir ve bir güvenlik sorunu olabilir. "

Sürüklenen yükler, komşu hücrelerin içeriğini yavaşça rahatsız eder - her erişimde biraz.Hızlı bir şekilde art arda yeterli sürenin ardından, kurban hücreler bir sonraki yenileme döngüsünden önce durumlarını kaybedebilir.

Arm'ın seçkin mühendislerinden Wendy Elsasser da aynı fikirde."Sıralı çekiç, önemli bir güvenlik sorunu olmaya devam ediyor ve hafızanın güvenli bölgelerine erişim sağlamak için bitlerin nasıl dönebileceği hakkında çok sayıda belgede belgelendi" dedi.

Bu yeni bir sorun değil, ancak temel sorun her nesilde daha da kötüye gidiyor.Chandrasekaran, "DRAM'ı düzlemsel ölçeklendirmeyle ölçeklendirirken, komşu hücre etkisi yakın komşu hücre etkisi haline gelebilir ve daha fazla hücre etkilenme eğilimindedir" dedi."Ve daha ince DRAM'leri ölçeklendirmeye devam ettikçe bu sorun daha da kötüye gidiyor."

Bu, tamamen ortadan kaldırılması zor bir sorun olduğundan, çözümler kontrole odaklanmıştır - ya zayıflamış hücreleri yeniden kurmak için erken yenileme yayınlamak ya da bir sınıra ulaşıldıktan sonra daha fazla erişimi engellemek.JEDEC, hem DRAM yongasına hem de DRAM denetleyicisine odaklanan bazı modlar ve komutlar ekledi, ancak bunlar azaltma amaçlıdır, temel neden sorununa bir çözüm değildir.

Olası saldırıları tespit etmek için DRAM'in kendisine mantık eklenebilir ve bellek IP oluşturucuları daha güçlü korumalar oluşturmak için çalışmaktadır.Synopsys'in kıdemli teknik pazarlama müdürü Vadhiraj Sankaranarayanan, "Bu tür erişimleri tespit etmek için donanım mantığını harcıyoruz ve ardından bu satırlara erişimi proaktif olarak sınırlıyoruz" dedi."Ancak bu, performans açısından etkili değil.Bir alternatif, dövülen bu satırlara bitişik satırları proaktif olarak yenilemek olabilir. "

Performans ve güç nedenleriyle, saldırıları tespit etme sorumluluğunun bir kısmı denetleyiciye verilmiştir.Sankaranarayanan, "Denetleyicide kullanılabilecek çeşitli teknikler var, çünkü denetleyici, kanala giden trafiği düzenleyen kişidir," diye ekledi.

Temel nedene gelince, hücre iyileştirme mühendisliği çabaları devam ediyor, ancak giderek daralan hücreler bunu sürekli bir zorluk haline getiriyor - özellikle kalıp boyutlarını makul tutma ve herhangi bir ek işleme veya malzeme maliyetini en aza indirme ihtiyacı ile birleştiğinde.

DRAM'i ölçeklendirirken bir sonraki zorluk, duyu-amplifikatör marjının daraltılmasıdır.Chandrasekaran, "Hücre kapasitansı düştüğünde duyu marjı azalacak ve bizi en-boy oranını artırmaya ve yeni malzemeler sunmaya sevk edecek" dedi.Ancak, en ideal dielektrik malzemede - bir hava boşluğunda - bile, biz ölçeklendikçe bit hattı direnci / kapasitans özellikleri zorlanacaktır, çünkü iki bit çizgisi arasında neredeyse hiç boşluk yoktur.Ve bu, içine koyabileceğimiz dielektrik malzemeleri sınırlıyor ve sonunda duyu marjımıza meydan okuyor. "

Ek olarak, daha küçük transistörler dolaylı olarak azaltılmış algılama marjına yol açmaktadır."Daha iyi dizi verimliliği elde edebilmemiz için duyu yükselticilerinin transistör alanı küçüldükçe, eşik-voltaj değişimi artacaktır" dedi.Bu, analog devreler için özel bir zorluktur ve sürekli ölçeklendirme için sürekli çalışma gerektirecektir.

DRAM'in geleneksel düşük maliyetli geçit yığınıyla ölçeklendirme de güç ve performans sorunlarına neden oluyor.Chandrasekaran, "Silikon oksinitrür geçit oksit teknolojisine sahip yüksek performanslı bir CMOS polikristalin silikon geçit, onlarca yıldır DRAM endüstrisinde ana akım olmuştur" dedi."İyi biliniyor ve çok iyi bir maliyetli çözüm.Ancak, güç ve performansı karşılamak için gerekli EOT (eşdeğer oksit kalınlığı) ölçeklendirmesini karşılamada çeşitli zorluklarla karşı karşıyadır. "

Alternatif bir çözüm, yüksek K geçit oksit ve metal geçit CMOS'tur.Bu teknolojilerin her ikisi de mantık teknolojisi dünyasında yaygındır ve bellek CMOS ölçeklendirmesi için çekici bir seçenektir.Bu aynı zamanda daha iyi sürücü, daha az varyasyon ve transistör eşleştirme özellikleri sağlayacaktır.

Ancak bu sadece basit bir süreç değiştirme meselesi değildir.Bu teknolojinin bellekte benimsenmesi, çevre birimlerini ve uç aygıtları etkinleştirmek ve dizi entegrasyonuyla iyi bir uyumluluğa sahip olmak için dikkatli aygıt mühendisliği gerektirecektir.Ve tüm bunların DRAM'ın gıpta ile bakılan uygun fiyatını koruyarak gerçekleşmesi gerekiyor.

3D flash ölçeklendirme zorlukları
Düzlemselden 3B yığılmış NAND flash belleğe geçiş, şimdilik, yeni yönelimde hücre boyutunu artırarak çok az depolanmış elektrona sahip olma sorununu hafifletti.Ancak katman sayısı arttıkça - zaten yüzlerce telli akımda - entegre CMOS transistörleri ve fiziksel sağlamlık dikkat gerektirecektir.

Dize uzadıkça dize akımı işaretleniyor.Chandrasekaran, "Dikey ölçeklendirmeyi artırmak kesinlikle dizi akımını zorlayacak ve algılama işlemini daha zor hale getirecektir" dedi.Tel akımı, katmanlar arasında aşağı doğru hareket etmeli ve sonra tekrar yukarı çıkmalıdır.Ne kadar çok katman olursa, bu yol o kadar uzun ve dirençlidir, akımı düşürür.

Özel bir zorluk, kanal malzemesinin, azaltılmış hareket kabiliyetine ve tane boyutuna ve tuzak yoğunluğuna güçlü bir bağımlılığa sahip polisilikon olması gerçeğidir.Bu yüksek en-boy oranına sahip yapılarda tane boyutunu kontrol etmek büyük bir zorluktur.Bu yüzden yeni ifade ve tedavi yöntemleri gerekli, ”dedi Chandrasekaran.

Alternatif olarak, yeni malzemeler dizi akımının bozulmadan kalmasına yardımcı olabilir."Aynı zamanda alternatif kanal malzemeleri olarak kabul edilen ve muhtemelen tel akımını iyileştirecek birkaç yeni malzeme var" dedi."Ama aynı zamanda güvenilirlik mekanizmaları ve hücre özelliklerinin kendisi açısından yeni zorluklar da sağlıyorlar."

Daha fazla satır aralığı ölçeklendirmesi (dikey olan) da yardımcı olabilir, ancak hücrenin boyutunu küçültür ve çok az elektron depolama yönünde geriye doğru hareket eder.Bu, sonunda bir sınıra ulaşacak ve kelime satırı aralığı ölçeklenmeye devam ederse, 3D NAND'deki daha büyük hücre boyutunun avantajını azaltacaktır."Uzun vadede, hücre için yeterli alanınız olmayacak ve az elektronlu etkilere sahip düzlemsel NAND ile aynı zorluklarla karşılaşacağız" dedi.

Bu arada, gerekli güç ve performansa ayak uydurmak için çevre birimi devreleri için daha gelişmiş CMOS işlemeye geçiş ihtiyacı vardır.Bu, DRAM'de yüksek metal kapılara geçme ihtiyacını yansıtır - hem bellek hücrelerinin hem de mantığın gereksinimlerini karşılamak için dikkatli cihaz mühendisliği ihtiyacını getirir.

Ve son olarak, daha fazla katman eklendikçe, kalıbı cep telefonları gibi düşük profilli uygulamalar için yeterince ince tutarken, sağlam kullanım için yeterli toplu silikonu muhafaza etmek zor hale geliyor.Chandrasekaran, "Önümüzdeki birkaç nesil boyunca, mobil çözümler için form faktörü ve paket gereksinimlerini karşılamak için, silikonun üstündeki aktif cihazların kalınlığı silikon kalınlığının kendisinden daha yüksek olacaktır" dedi.“Yeni arka uç kullanım zorlukları yaratıyor ve gofret çarpıklığı büyük bir sorun haline geliyor.Gofretlerin gücü ve kullanımı, arka uç ekipman teknolojisi gelişimimizi yönlendiren yeni bir zorluk olacak. ”

Ortaya çıkan bellek zorlukları
Çok sayıda teknoloji, bir sonraki büyük geçici olmayan bellek olmak için yarışıyor.Bunlar arasında faz değişim belleği (PCRAM), dirençli RAM (RRAM / ReRAM), manyetoresistif RAM (MRAM) ve geliştirme sürecinin önceki aşamalarında, ferroelektrik RAM (FeRAM) ve korelasyonlu elektron RAM (CERAM) bulunur.PCRAM, Intel'in çapraz nokta belleklerinde üretime geçerken ve STT-MRAM artan entegrasyon görürken, bu teknolojilerin hiçbiri bugün bir sonraki büyük şeyin tek başına olduğunu iddia edemez.Temel zorluklar büyük ölçüde güvenilirlik ve yeni malzemelerin kullanımıyla ilgilidir.

MRAM, bu yarışa en umutlu girenlerden biridir.KLA ürün pazarlama müdürü Meng Zhu, "MRAM, DRAM ve flash gibi şarj temelli belleklerden çok farklı olan, bilgileri depolamak için malzemelerin manyetik hallerini kullanan bir bellek türüdür" dedi.Bu kulağa basit gelse de, ince katmanlar ve bu katmanlarda kullanılan farklı malzemeler nedeniyle MRAM'lerin oluşturulması mevcut anılardan daha zordur.

Aynı şekilde, PCRAM hücresi için kalkojenitlere güvenir.RRAM'ler ince bir yalıtım malzemesine bağlıdır.Ve FeRAM, ferroelektrik duruma geçebilen malzemelere ihtiyaç duyar.CERAM, bileşiminin henüz tam olarak oturmadığı için geliştirme aşamasında yeterince erken, ancak yeni malzemeler ve hassas montaj muhtemeldir.

Tüm bu yeni bellek türlerinin sorusu, zaman içinde ve milyonlarca okuma / yazma işlemi boyunca nasıl dayanacaklarıdır.Chandrasekaran, "Ortaya çıkan önde gelen bellek çözümlerinin çoğu, anlaşılması gereken yeni güvenilirlik mekanizması zorluklarıyla karşı karşıyadır" dedi.

MRAM, diğer teknolojilerin bazılarından daha uzakta olması, önemli olan ayrıntı türleri için iyi bir örnek sağlar.Zhu, "MRAM için ana arıza mekanizması, ince MgO bariyerinin aşınmasıdır" dedi."Bariyerde iğne delikleri veya malzeme zayıf noktaları gibi kusurlar olduğunda, bağlantının direnci zamanla kademeli olarak azalabilir ve ayrıca dirençte ani bir düşüşe (bozulma) neden olabilir."

Diğer bellek türleri henüz kendi güvenilirlik mekanizmalarını tanımlamamış ve yönetmemiştir.Dayanıklılık ve veri saklama soruları devam ediyor ve zaman içinde hücre direncinin gelişimi kritik önem taşıyor - özellikle de makine öğrenimi için bellek içi bilgi işlem gibi uygulamalar için analog belleklerde kullanım için hücreler düşünüldüğünde.

Zorluklara ek olarak, bu yeni bellek hücrelerinin birçoğu sıcaklığa duyarlıdır ve malzemeleri, yarı iletken işlemde geleneksel olarak kullanılan iyi kurulmuş gazların ve diğer kimyasalların bazıları ile iyi etkileşime girmeyebilir.

Chandrasekaran, "Bu gelişmiş bellek çözümlerinde kullanılan malzemelerin çoğu sıcaklığa ve kimyasala duyarlıdır" dedi."Bu, fabrikalarımızda düşük sıcaklıkta işleme ve ortam kontrolünün kullanılmasını gerektiriyor ve ayrıca hücre malzemeleriyle reaksiyona girme ve performanslarını etkileme eğiliminde oldukları için iyi bilinen gazların ve kimyasalların kullanımını da sınırlıyor.Bu tür sınırlamalar yalnızca bu malzemelerin işlenmesini zorlaştırmakla kalmayacak, aynı zamanda daha fazla maliyet de ekleyecektir. "Hem daha düşük sıcaklıklar kullanan hem de kimyasal hücre bozulmasını önleyen bir akış tanımlamak, bu hatıraların ana akıma girmesi için gerekli olacaktır.

IEDM'de sunulan zorlukların listesi hiçbir şekilde kapsamlı olmamakla birlikte, endüstriye gelişen sistem gereksinimlerine ayak uydurabilecek bir hızda ölçeklendirmeyi sürdürmek için yapılması gereken zorlu iyileştirmelerin bir koleksiyonunu sunar.Daha fazla veri, daha fazla işlem ve daha fazla bellek gerektirir ve bu sorunu çözmenin birçok yolu vardır.Ancak hiçbir yaklaşım tüm sorunları çözmeyecek ve daha fazla veri üretildikçe ve daha fazla bellek türü tanıtıldıkça, henüz keşfedilmemiş ek sorunlar ortaya çıkacaktır.

İletişim bilgileri