新一批的记忆在研发计算架构可能会对未来产生重大影响。
几个下一代记忆类型增加经过多年的研发,但还有更多的新记忆研究管道。
今天,几个下一代记忆MRAM等相变内存(PCM)和ReRAM航运一个学位或另一个。一些新记忆这些技术的延伸。别人是基于全新的技术或涉及架构更改,近或内存中计算等带来内存中或附近的处理任务。推动他们的研发需要克服许多技术和业务的障碍,这是不太可能他们会成功。但一些特别有前途和潜在目标取代今天的DRAM, NAND和SRAM。
在接下来的新内存类型是:
有额外的努力推动在垂直方向。例如,一些正在开发3 d SRAM,堆栈存储器的逻辑作为潜在的替代平面SRAM。
虽然一些新的内存类型终于航运,陪审团仍然是接下来会发生什么。“我们开始看到这些新兴或下一代记忆终于获得了更大的牵引力,但他们仍处于早期发展阶段,“尹亚历克斯说,高级技术总监林的研究。“醉鬼和FeRAM是有前途的。但是,是否需要将更多的取决于经济。”
当前和未来的下一代记忆面临其他挑战。“爆炸与新材料、新的内存类型存储的概念,技术和材料,”斯科特·胡佛,主要产生顾问心理契约。“这对材料等领域提出了重大的挑战和结构表征。很可能的技术进步的节奏,将封闭的基本理解我们的描述能力,测量、控制和改进独特的材料和结构。”
总之,当前和未来的下一代记忆可能找到一个利基,但他们不会主导景观。“新兴现有NAND内存预计不会明显阻碍或DRAM市场在未来5 - 10年作为独立的产品,”Hoover说。
取代静态存储器
今天的系统集成处理器、图形以及内存和存储,通常被称为内存/存储层次结构。在第一层的层次结构,静态存储器是集成在处理器的快速数据访问。动态随机存取记忆体下一层,分离和用于主内存。磁盘驱动器和NAND-based固态硬盘(ssd)是用于存储。
图1:新兴记忆无处不在的数据和计算数据来源:应用材料
DRAM和NAND正努力跟上带宽和/或电力需求系统。DRAM价格低廉,但它消耗的力量。DRAM也不稳定,这意味着它失去数据当电源被关闭系统。同时,NAND便宜和non-volatile-it保留数据当系统关闭。但是NAND闪存和硬盘驱动器是缓慢。
那么多年来,该行业一直在寻找一个“普遍的记忆”,DRAM和闪存具有相同的属性,可以取代他们。竞争者是MRAM、PCM和ReRAM。新的记忆做一些大胆的宣称。例如,STT-MRAM SRAM的速度特性和flash的non-volatility无限的耐力。NAND闪存相比,ReRAM更快和bit-alterable。等等。
今天,该行业仍在寻找一个通用的内存。“技术开发人员,我们一直想象,有一天,某种类型的通用内存或杀手内存能够取代SRAM, DRAM和闪存同时,”David Hideo Uriu说产品营销总监联华电子。“下一代记忆仍不能取代传统的记忆,但是他们可以结合记忆的传统强项来满足细分市场的需求。”
一段时间,MRAMPCM和ReRAM已经航运,主要用于利基市场。所以DRAM, NAND和SRAM仍然是主流的记忆。
但是在研发,该行业正在一些新技术,包括潜在的SRAM替换。一般来说,处理器集成CPU、存储器和各种各样的其他功能。SRAM存储指令迅速所需的处理器。这就是所谓的一级缓存的内存。在操作中,处理器将从L1缓存请示,但CPU有时会想念他们。所以处理器还集成第二和第三级缓存内存叫做2和3级缓存。
SRAM-based L1缓存速度快。不到一纳秒延迟。但SRAM芯片上也占据了太多的空间。“SRAM面临挑战的细胞大小。规模和去7海里时,细胞大小500个f2,“记忆集团的董事总经理Mahendra Pakala表示在应用材料。
多年来,行业一直寻求替代SRAM。有几个可能的竞争者。其中一个包括自旋扭矩MRAM(STT-MRAM)。STT-MRAM特性SRAM的速度和flash的non-volatility无限的耐力。
STT-MRAM是一个有关晶体管结构,磁隧道结(MTJ)存储单元。它使用的磁性电子自旋在芯片提供非易失性属性。读写函数共享相同的平行路径在MTJ细胞。
Everspin已经航运SST-MRAM ssd的设备。此外,一些芯片制造商专注于嵌入式STT-MRAM,分成两个市场之际,一个嵌入式flash替换和缓存。
为此,STT-MRAM准备取代嵌入式和flash芯片。此外,STT-MRAM取代SRAM的目标,至少在L3缓存。“STT-MRAM演变为密集的嵌入到soc,规模较小的单元尺寸,降低待机能耗需求,和non-volatility提供一个令人信服的价值主张和更大的波动SRAM作为常见的车载记忆和最后一级缓存,“哈维尔Banos说,高级营销主任沉积和蚀刻Veeco。
但STT-MRAM不够快取代SRAM L1和L2缓存。有一些可靠性问题。“我们相信STT-MRAM,访问时间将5 ns 10 ns饱和,”应用的Pakala说。“当你去L1和L2缓存,我们相信你需要去SOT-MRAM。”
还在研发、SOT-MRAM像STT-MRAM。不同之处在于,SOT-MRAM集成一个醉鬼层下的设备。它导致切换当前层通过注入一个平面的相邻层,根据Imec。
“STT-MRAM切换时,需要将当前MTJ,”阿尔诺Furnemont说内存主任Imec。“在SOT-MRAM你有两条路径,一个写,一个用于读。阅读就像STT。通过MTJ你读。通过MTJ写不是。这是一个很大的好处,因为你可以循环设备,优化生活的时间也更长。第二大优势是速度。”
SOT-MRAM今天,最大的问题在于,它只开关大约50%的时间,这就是为什么它仍然在研发。“与存储器相比,SOT-MRAM可以有潜在的优势,如更高的密度和更低的能耗由于其non-volatility,“联华电子的Uriu说。“SOT-MRAM需要实现成本效益的应用程序与意愿的客户。”
为了解决这一问题,Imec已经开发了一种SOT-MRAM“舞台,切换”。Imec嵌入hardmask的铁磁体,形状说跟踪。这使得在低功率快速交换。
SOT-MRAM还没有准备好。事实上,它将两个或两个以上行业前几年决定是否可行。
与此同时,在研发、采用替代其他潜在的SRAM工作正在进行中,即3 d SRAM。在3 d SRAM, SRAM死亡堆积在处理器和连接使用在矽通过(tsv)。
3 d SRAM处理器和存储器之间的距离缩短了互连。时间会告诉我们如果3 d SRAM是一种可行的方法。
DRAM的竞争者
像SRAM,该行业多年来一直试图取代DRAM。在今天的计算架构,数据处理器和DRAM之间移动。但有时这种交换导致延迟和功耗增加,有时被称为记忆的墙。
DRAM已经落后于带宽需求。另外,DRAM比例正在放缓在今天的1 xnm节点。
“我们的应用程序需要大量的内存。这个问题与机器学习应用程序变得更糟。他们需要大量的内存,“Subhasish Mitra说,电气工程和计算机科学教授斯坦福大学。“如果你能把所有的记忆芯片上,生活就太好了。你不会离开芯片DRAM和花很多精力和时间试图访问内存。所以我们必须做点什么。”
有很多选项here-sticking DRAM,取代DRAM,叠加DRAM到高带宽内存模块,或移动到一个新的体系结构。
好消息是,DRAM不是静止的,和行业从今天的迁移DDR4下一代DDR5技术接口标准。例如,三星最近推出了12 gb LPDDR5移动DRAM设备。在5500 mb / s的数据速率,该设备是1.3倍LPDDR4芯片。
很快,然而,oem DDR5达利克以外的其他记忆的选择。工作组在电平(jc - 42.4)正在开发一种新的DDR5 NVRAM规范,最终将使oem厂商放弃各种新的内存设备到DDR5插座没有修改。“NVRAM规范包含碳纳米管记忆,相变内存,电阻RAM和理论上磁性随机存取存储器,”比尔Gervasi说Nantero首席系统架构师。“我们是统一所有的架构。”
这个规格可以更容易在系统使用一个新的内存类型。这也是一种替代产品。
不过,很难取代DRAM和NAND闪存。他们是廉价的,证明,可以处理大部分的任务。此外,他们都有路线图为未来的改进。“NAND和3 + 5 +年的一代。DRAM规模将逐渐在接下来的5年,”马克·韦伯说MKW企业负责人咨询。“我们有坚实的实际可用的新记忆和航运。这些将增长和增强,而不是取代,DRAM和NAND。”
一个新的内存类型升温,即3 d XPoint。英特尔在2015年引入的,3 d XPoint基于技术脉码调制。使用ssd和dimm PCM将信息存储在无定形和结晶阶段。
但英特尔迟到的技术。英特尔与3 d XPoint航运ssd。“我放在一起预测2015年基于一个假设,英特尔将会航运到2017年整体。他们直到2019年才最终这样做,”分析师吉姆说方便,客观的分析。
然而,建立在一个两层的多层架构,英特尔的3 d XPoint装置是在128 -千兆密度使用20 nm几何图形。“这是一个伟大的持久的记忆,但它不是取代NAND或DRAM,“MKW韦伯说。
现在,英特尔和微米PCM的发展下一个版本,它将出现在2020年。新一代3 d XPoint可能将基于20 nm制程技术,但它可能有四个栈,根据韦伯。“我们希望它是密度的两倍。今天,128 gbit。我们预计256 gbit的下一代,”他说。
还有其他的场景。在未来,客观分析的方便的看到3 d XPoint保持作为一个两层的设备,但搬到15纳米特征尺寸。时间会告诉我们。
虽然PCM是增加,其他技术,如铁电场效应晶体管(FeFETs)仍在研发。”FeFET记忆细胞,铁电绝缘体是插入到门口堆标准MOSFET器件,”斯特凡•穆勒所解释的那样,铁电存储器(FMC)的首席执行官。
“相比标准介质高频振荡器2今天在使用中,铁电高频振荡器2显示了一个永久偶极矩,晶体管的阈值电压变化在非易失性的方式,”穆勒说。通过适当选择读出电压,大电流或低电流流经晶体管。”
融合和其他人正在开发嵌入式和独立FeFET设备。嵌入式FeFET将被集成在一个控制器。一个独立的设备可能成为一种新的记忆或DRAM替换。“FeRAM是不错的选择,它使用比DRAM少得多的能量。但耐力需要改进,”林的Yoon说。
目前尚不清楚FeFETs走向什么,但是这里有一些挑战。基于铁电高频振荡器”记忆细胞2可以显示数据保留超过250°C,自行车耐力> 1010周期,写/读速度在10 ns政权,fJ能源消耗,和可伸缩性超出finFET技术节点,“固定-移动的融合的穆勒说。“目前的挑战是将这些指标合并到一个存储设备,和并行数组数以百万计的记忆细胞,而这些记忆细胞执行或多或少相同。”
与此同时,多年来,Nantero发展碳纳米管公羊为嵌入式和DRAM-replacement应用。碳纳米管是圆柱形结构,强大而导电。还在研发,Nantero nram比DRAM和非易失性快闪。但这是时间超过预期,商业化。
nram富士通,第一个客户,预计在2019年样本部分与生产计划为2020。
碳纳米管是在其他方向移动。2017年,美国国防部高级研究计划局启动了几个项目,包括3 dsoc。麻省理工学院、斯坦福大学和SkyWater伙伴3 dsoc项目,致力于开发单片3 d设备堆栈ReRAM碳纳米管上的逻辑。ReRAM是基于电阻元件的电子开关。
还在研发,技术不是DRAM替换。相反,它属于所谓的compute-in-memory一类。我们的目标是让记忆和逻辑函数更接近减轻系统的内存瓶颈。
“你必须考虑第三维,”斯坦福大学Mitra说。“否则,你打算如何把芯片上的一切?”
目前,3 dsoc装置是一个两层的3 d结构,哪些地方ReRAM在碳纳米管逻辑。但是设备预计到今年年底。目标是培养生产和提供多项目晶片运行到2021年。
最近,集团已将技术转让给SkyWater。铸造供应商计划使用90 nm制程设备200 mm晶圆。“3 dsoc架构包括基于碳纳米管晶体管的层。它们是由n和p类型CMOS晶体管技术,”SkyWater布拉德·弗格森说,首席技术官。“可以结合其他层ReRAM内存,这将包括一个CNT-based访问晶体管。”
在工厂,使用相沉积碳纳米管形成。挑战在于,纳米管的过程中容易变化和失调。
“我们看到的主要挑战和克服路径包括三个主要方面。第一个是碳纳米管的纯度。有很多变化在碳纳米管材料来源。程序的一部分,提高原料的纯度,我们得到着单壁球长大的半导体碳纳米管纯度高,”弗格森说。“第二个和第三个挑战与集成的晶体管。晶体管的可变性和稳定的性能。”
这项技术是intriguing-if它的工作原理。“事实是,我们可以扩展这种技术后展示在90海里。结合的这个项目的既定目标,也就是超越7海里平面技术。这意味着如果计划成功,重启节点比例在不同曲线的复杂性,性能和成本,”他补充道。
人工智能记忆
多年来,ReRAM一旦被吹捧为NAND替换。但与非比例远比此前认为,导致重新配置ReRAM许多。
今天,一些正致力于嵌入式ReRAM。其他正在开发独立ReRAM niche-oriented应用程序。长远来看,ReRAM正在扩大其视野。这是针对人工智能应用,DRAM替代,或两者兼而有之。
横梁,一个ReRAM公司是开发一个独立的设备,可能会取代DRAM。这涉及到与ReRAM crossbar-like架构和逻辑。
“与客户交谈后,尤其是在数据中心,最大的难点是DRAM。这不是NAND闪存。DRAM因为能源消耗和成本,“Sylvain杜布瓦说,战略营销和业务发展副总裁横梁。“对于高密度独立的应用程序,我们针对DRAM替代读密集型应用程序的数据中心。8 x DRAM的密度和3 x 5 x降低成本,这提供了很好的降低TCO,随着大规模在超大型数据中心节能。”
横梁的ReRAM技术也是针对机器学习。机器学习是一个神经网络。在神经网络一个系统处理数据和识别模式。它匹配特定的模式和学习哪些属性是很重要的。
ReRAM针对的是更先进的应用程序。“有巨大的机会使用ReRAM模拟计算和神经形态等新颖的方式计算,但这是在研究阶段,”杜波依斯说。
神经形态计算还使用了一个神经网络。为此,先进ReRAM试图复制大脑硅。目标是模仿的方式正朝着信息设备使用时间精确的脉冲,还有许多研究在这一领域进行,特别是在材料方面。
“最大的问题是需要做什么真正启用它,“Srikanth Kommu说,半导体业务的执行董事布鲁尔科学。“有很多研究在材料能否在这一领域发挥作用。现在,我们不确定。”
有两个方面的材料。一个涉及速度和耐久性。第二个涉及工艺性和defectivity,这两个影响产量和最终成本。“很多,这是基于公差和defectivity”Kommu说。“如果defectivity是100,你需要每两年提高70%。”
神经形态架构日益浓厚的兴趣与AI /毫升的采用和传播能力和性能的原因。Leti和ReRAM启动Weebit纳米最近发布了一种神经形态计算他们执行对象识别任务系统。
Weebit ReRAM技术使用的演示,运行推理任务使用强化神经网络算法。“人工智能是迅速扩张。我们看到在人脸识别中的应用,自主车辆,并使用在医学预后,只列出了其中的一些领域,”科比哈诺Weebit首席执行官说。
结论
STT-MRAM也被提议作为DRAM的替代品。但STT-MRAM或其他新不会取代DRAM或NAND记忆。
然而,当前和未来的一代又一代的记忆是值得关注。到目前为止,他们还没有破坏了风景。但是他们正在削弱在职者在不断变化的内存市场。“我们正处于一个地方与新兴内存技术还没有赢得比赛,“方便说客观分析。
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