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中国芯量产前夕,新式存储器大举杀入,是否出现“取代”效应?

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传统的记忆技术使国内紫光集团,合肥长新和福建金华在竞争中脱颖而出。国内的存储芯片已经取代了进口的脚步声,如原来的火,它已经难以平静下来。

然而,另一个已经蹲伏近20年的新型存储技术团队,包括MRAM,PCRAM和ReRAM,已经从技术,材料和设备的突破中受益,并且正在大规模生产的道路上。我们在见证记忆中。历史的转折点。

然而,在这个时间点,它也是国产内存芯片突破“零”自制,在大规模生产前夕,新存储技术对传统存储器DRAM,3D NAND,SRAM有何影响?它会形成“替代”效应吗?

英特尔3D XPoint横空出世,业界重燃了希望

新的记忆可以分为独立产品和嵌入逻辑过程,以取代一些传统的嵌入式闪存eFlash技术,而在嵌入式技术中,这种趋势已经迅速成熟。但是,对于独立内存,仍然需要克服性能和成本问题。

因此,新的存储器,无论是MRAM,PCRAM还是ReRAM,都不会影响DRAM和3D NAND芯片产业,现在中国正在全面展开。但是,对于某些应用领域,例如云计算和物联网驱动的边缘计算,增加了新的内存。经过这项技术,它可以真正使整个行业的发展更加强大。

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图| 3D 英特尔)

近20年来,人们提出了新的记忆技术,成熟之路正在磕磕绊绊。直到2015年,英特尔的3D XPoint技术诞生了,它被认为类似于PCRAM的结构。全新的存储技术突然变得清晰,未来几年的发展将更加强大。

为了向新的存储器行业添加木柴,世界领先的半导体应用包括两个用于MRAM,PCRAM和ReRAM的机床:Endura Clover MRAM物理气相沉积(PVD)机器和Endura Impulse物理气相沉积(PVD)。该机器已成为行业发展的强大推动者。

DeepTech和应用材料的两位专家,应用材料中国总经理兼首席技术官赵甘明博士和应用材料金属沉积产品全球产品经理周春明博士将一瞥新的记忆将带来这个世界上的什么样的变化,见证存储行业的历史转折点。

在这里,DeepTech对近期崛起的新型内存的关键原因进行了全景分析,其中制造商已经开始批量生产,应用原则和领域,以及对行业的好处。

摩尔定律正在消退,新的记忆正在战场上

摩尔定律于1965年推出,已有50多年的历史。它为全球电子行业写下了无数里程碑。但是今天,根据该法设计和生产的芯片是PPAC中半导体最重要的四个标准。绩效表现,面积,成本成本逐渐下降。

摩尔定律不提供物联网和云计算所需的许多芯片。为什么?

在“万物互联”和“工业4.0”时代的背景下,数据爆炸式增长。例如,我们每天生成大约1GB的数据,但是当您驾驶无人驾驶汽车时,一天中生成的数据量可能高达4000 GB,相当于4,000次。

2019年是关键的一年。机器生成的数据超过了人类生成的数据。这是人类历史上的第一次。预计到2022年,机器产生的数据可能是人类的9倍。许多。

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动态)

未来世界计算的逻辑是数据来自机器的集合,包括汽车,智能城市,智能家居等。所有生成的数据必须从终端,边缘,层,然后到终端传输和计算。云,大数据。中心,然后计算,然后返回终端。

在这短短的时间内,来自世界顶级的数据涌入,以及不断的计算,处理和重传,是非常具有挑战性的芯片性能,而现有的计算架构早已无法满足核心需求。

在过去的“摩尔定律”时代,对晶体管的追求越来越小,目标是每18个月到两年将晶体管的数量增加一倍,但随着法律的影响从14纳米减少到10纳米。这可能需要长达4年的时间,从10纳米到7纳米,5纳米,需要更长的时间,想象一下英特尔10纳米已被推迟一瞥一两个。

因此,越来越多的人在争论摩尔定律是否已达到其生命的终点。

要回答这个问题,我们可以这样思考。如果你继续使用传统思维并通过减小晶体管的尺寸来增加密度,你就无法做到。但是,从另一个角度来看,有很多方法可以实现上述PPAC(功耗,性能,面积,成本)。

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DeepTech)

业界现在提出了各种“伎俩”来继续摩尔定律,DeepTech在这五个层面上进行了探索。

新架构:谷歌的TPU,Nvidia的GPU,是加强计算的加速器角色,尤其是在云计算领域。

新结构:如二维二维到三维的三维NAND,因为它是一个三维结构,所以你可以随时向上,空间向上可以得到改善。

新材料:我曾经拿出一个元素周期表。既然这些元件都是半导体和晶体管,那么就会有很多新增功能。例如,铜工艺取代了铝工艺,钴取代了铜,这可以显着提高晶体管的性能。新材料在促进PPAC中的重要作用。

新的微型技术:ASML Extreme UV光刻EUV。

新的封装技术:通过先进的封装技术集成各种不同的工艺技术,如28nm或5nm处理器,存储器,加速器和其他芯片,以在系统级实现最佳性能。例如,台积电近年推出的封装技术InFO,CoWoS和3D IC,以及英特尔的EMIB和Forevos,都是从后期开始的,并延续了摩尔定律的生命。

内存计算概念启动

在大数据时代,它突出了巨大的计算需求的重要性,也推动了硬件的发展和投资的复兴。例如,上面提到的加速器,如果我们更深入,我们应该提出一个概念,即靠近内存计算。 (近存储计算)。

什么是近存储计算?简单地说,在过去,我们经常有“处理器为王”的想法,处理器的功能是最重要的,但现在不是。

因为计算能力不再由各个处理器能力决定,而是数据在处理器和存储器之间来回传递,并且由于瓶颈,计算能力不再能够提前。

Near Memory Computing的定义是使用大量高带宽和大容量来更紧密地连接内存和计算处理器,并提高系统级的计算性能。

这个概念实际上是使用现有的构建模块实现的,例如DRAM,NAND,SRAM等。未来,它将逐步与新的存储器MRAM,ReRAM,PCRAM相结合,以提高计算性能,并创建“内存计算”(In-记忆计算))基础知识。

内存计算近年来一直是一个非常热门的概念,但可能需要至少3 - 5年才能实现。与将存储和处理更紧密地结合在一起的近内存计算不同,内存中计算集成了用于计算的存储和处理,而没有传输,延迟和性能方面的问题。

回顾10到20年,类似大脑的计算和量子计算可以实现上述目标,但这些技术实在太过深远。如果你想尽快实现内存计算的目标,至少在5年内,新的内存将会发挥很大的作用。重要角色。

哪些半导体制造商已经开始大规模生产新的记忆

在讨论新存储器的操作之前,让我们来谈谈哪些半导体制造商已经批量生产MRAM,ReRAM和其他技术。

目前投资研发或生产新内存技术的阵营可分为三类。

第一类:逻辑工艺代工厂,包括台积电,GlobalFoundries,中芯国际,三星电子等,主要嵌入主流工艺技术MRAM,ReRAM存储技术,是利用嵌入式存储器,而非生产独立存储器。

第二类:独立内存制造商,如Group和Evenspin将1Gb STT-MRAM集成到企业SSD系统中以发挥缓存以提高SSD性能。

第三类:研究机构,学术单位等。

除了由英特尔和美光开发的3D XPoint技术之外,正在开发MRAM,ReRAM和PCRAM技术的半导体公司还包括TSMC,小发猫,SK海力士,Western Digital和GlobalFoundries。

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在技术论坛上,台积电实际上披露了MRAM和ReRAM技术流程。

台积电目前的40nm ReRAM具有批量生产的能力,取代了IoT芯片上的传统嵌入式闪存eFlash技术,强调存储的芯片可以存储10年,经过10,000次读写。

此外,台积电的22纳米MRAM还具有批量生产能力。与ReRAM技术不同,这种MRAM技术用于移动设备,高性能计算HPC,汽车电子等,取代传统的嵌入式闪存eFlash技术。

在性能方面,22 nm MRAM比eFlash技术快三倍,数据可存储10年,在高温下读数和读数达到100万次。

SK海力士先进薄膜技术部门负责人Sung Gon Jin表示,除了DRAM和NAND之外,正在开发新一代存储器以提高数据中心效率。

此外,GlobalFoundries多年来一直投资于嵌入式存储器技术MRAM的新状态,与Everspin共同开发,该公司还透露在22 nm FD-SOI工艺中引入嵌入式eMRAM技术,以生产复杂的汽车MCU芯片,或用于高级驾驶辅助系统(ADAS)系统或其他汽车系统。

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图| DeepTech)

新记忆的原理和应用领域

MRAM是磁随机存取存储器。结构是晶体管中的存储单元在后端互连,甚至占据“硅”区域。它可以直接嵌入逻辑电路中,因此可以做得非常小。晶体管的存储单元。

此外,PCRAM是相变随机存取存储器,ReRAM称为电阻随机存取存储器。比MRAM更具吸引力的是这两种新的存储技术可以像NAND一样实现3D 3D架构。

3D架构的优势在于它可以一直堆叠。添加一层时,内存密度可以加倍。此外,可以降低成本。这些特性可用于大容量和低成本,因此它用于云计算。大数据中心非常有吸引力。

可以说新内存具有广泛的应用,但如果最大化的好处,两个应用程序将被锁定:物联网,云计算和大数据中心。

我们经常谈论的物联网是所谓的边缘终端和边缘设备。

当前的边缘设备架构是逻辑芯片加上SRAM芯片。 SRAM的功能是计算然后添加3D NAND芯片以存储算法/软件/代码。

所谓的“边缘”是因为没有连接,没有电源,功耗问题非常重要,因为功耗可以决定它可以花多长时间。

这时,MRAM可以取代SRAM的功能。由于SRAM在不使用时也非常耗电甚至泄漏,因此一些边缘设备可能会在99%的时间处于待机状态。如果用MRAM替换SRAM,可以改善许多功耗问题。

3D NAND也是如此。它实际上是一种高压设备。如果使用部分MRAM而不是3D NAND,则可以降低功耗。

MRAM有两个主要优点。首先是它处于待机状态时不消耗功率。第二个比闪存便宜得多。如果它是一个缺点,MRAM的速度还没有达到SRAM水平。例如,在物联网中广泛使用的MCU,MRAM非常适合使用。

接下来,查看云和大数据中心。这方面有三个挑战。首先,大量数据的涌入,然后需要执行快速计算,第三个关键仍然是返回功耗。

目前的主流架构是DRAM和SSD来存储数据,但是如何使用新内存来提高性能呢?

第一种方法是更换DRAM部分,因为从功耗的角度来看,DRAM具有功耗问题。此外,PCRAM和ReRAM可以用作3D架构并且具有成本优势。

第二种方法是更换SSD部件。 SSD的优势在于它更便宜。由于3D NAND堆叠技术的成熟,128层堆栈现已大规模生产。 3D NAND的成本越来越低,但缺点是性能。

如果用PCRAM和ReRAM替换某些DRAM,您也可以实现3D架构。其次,性能远远优于SSD。

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应用材料公司)

新记忆如何运作?

磁记忆是一种三层结构,中间称为“隧道结”,是氧化镁,两侧有两个磁性层,磁性层可以理解为两个磁铁,而这两个磁铁有北极和南极,如果北极和南极匹配,电子很容易通过,阻力是一个相对较低的状态。

此外,上磁层和下磁层可以通过电流变为相反的平行层,这是不匹配的。当发生不匹配时,电子难以通过,这是一种高电阻状态。

因此,通过低电阻和高电阻存储“0”和“1”实际上是基于电阻变化原理和通过磁性的高电阻和低电阻的存储技术。

PCR AM和ReRAM的原理类似。它们由电流或电压控制。聚合酶链反应AM(PCR AM)用于通过晶形控制低电阻和高电阻。当完全结晶时,它是低电阻状态,当非晶态时,它是高电阻状态,以达到“0”和“1”。

ReRAM与MRAM类似,它在没有连接的情况下具有高电阻,就像绝缘材料一样。当它接通时,它可以实现导电路径并呈现低电阻状态。因此它类似于MRAM,因为它通过电阻级实现“0”和“1”。

简而言之,为了实现这种新型存储器,仍然需要克服一些挑战,即通过材料工程实现这些存储器的基础。

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应用材料公司)

装备技术的突破和规模时代最终来临

对于大规模生产新型存储器,设备制造商的材料工程突破是关键。应用材料对于MRAM设计的Endura Clover MRAM PVD系统,可以在真空下执行多个工艺步骤,实现整个MRAM的10种材料,然后逐层堆叠30层,其核心是Clover PVD,一个腔室可以用于获得多达五种材料,然后在原子和亚原子水平沉积薄膜。

如前所述,MRAM中间有氧化镁层。应用材料表明中间氧化镁层非常重要,这将影响整个MRAM器件的性能。应用材料采用独特技术制造,使整个MRAM具有低功耗和高耐用性。

在MRAM制造工艺中,在一个平台上实现超过30层的超过10种材料的沉积和沉积是非常复杂的。相比之下,PCRAM和ReRAM不是那么多层,但它仍然有许多层结构,包括电极,选择器和存储器。里面的材料非常独特。

例如,其材料结构为GST的PCRAM含有锗Ge,锑Sb,碲Te,不是常用材料,挑战在于如何沉积这些复合材料并控制它们的组成。

对于PCRAM和ReRAM的批量生产,应用材料是Endura Impulse PVD系统,它可以严格控制多组分材料的成分,并实现优异的薄膜厚度,均匀性和界面控制。

在大趋势中,新记忆的大规模量产将从嵌入阶段开始。例如,TSMC将ReRAM和MRAM嵌入到现有流程中,然后新的存储技术将发展到独立的存储器领域,因为它需要更多的密度。高。

在“数据爆炸”时代,芯片迫切需要高计算性能,但它正处于放慢摩尔定律的时代,大脑般的芯片和量子计算距离太远了。经过多年的磨砺,新的存储技术符合设备材料。突破可以赶上互联物体和大规模数据计算的时代,并在战场上作战。

当大规模存储器大规模生产时,正是国内3D NAND和DRAM两个传统存储器才会加入国际竞争舞台。虽然应用领域和水平不同,但巧合的是,新旧技术也在历史转折的页面上,见证了全球科技产业的发展轨迹。

末端 -

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