עתיד טכנולוגיית שבבי הזיכרון והאחסון

בית » New-Tech Magazine » עתיד טכנולוגיית שבבי הזיכרון והאחסון

עתיד טכנולוגיית שבבי הזיכרון והאחסון

בריאיון זה מתאר ארנו פורנמון (Arnaud Furnémont), סגן נשיא מו”פ בתחום הזיכרון והמחשוב ב־imec את טכנולוגיות שבבי הזיכרון והאחסון החדשות שעליהן עובדת imec ומסביר כיצד הן עונות על הביקוש מצד התעשייה לשבבים בעלי נפח זיכרון גדול יותר.
כמו כן, הוא מציג כיצד אפשר למתוח את הטכנולוגיות המסורתיות (DRAM ושבבי זיכרון הבזק מבוסס NAND תלת־ממדיים) עד לקצה גבול יכולותיהן וכיצד טכנולוגיות חדשות (ובהן זיכרון פרואלקטרי [Feroelectric]), סוגים שונים של זיכרון גישה אקראית מגנטי [MRAM]) סוללות את הדרך לדור הבא של שבבי הזיכרון והאחסון.

באילו תחומים יתמקד המחקר שלך בשנים הקרובות?

ארנו פורנמון: “כיום, מתמקד מחקר שבבי הזיכרון (הפנימי) והאחסון בשלושה תחומים. הראשון והחשוב שבהם הוא הביקוש מצד התעשייה למיזעור והוזלת נפחי הזיכרון. בעולם מבוסס נתוני עתק קיימת דרישה גדולה למערכות עתירות ביצועים והביקוש לשבבי זיכרון קטנים, צפופים וזולים יותר בא על רקע השיפורים בענף החומרה (חוק מור) והתוכנה (בינה מלאכותית, למידת מכונה). התחום השני שבו עוסק המחקר הוא בעיית ‘מחסום הזיכרון’ המקשה ביישומי מחשוב עתירי ביצועים על גישה מהירה מספיק לנתונים. המחקר עוסק בשיפור מהירות העברת הנתונים בין המעבד לזיכרון. לדוגמה: שימוש בשבבים תלת־ממדיים מאפשר לקרב פיזית את שבבי הזיכרון למעבד וכך להאיץ את ביצועי החישוב של המערכת, אבל בה בעת מחייב פיתוח שבבי זיכרון משובצים בצפיפות גבוהה, שישמשו כזיכרון המטמון ברמת מדרג הזיכרון הנמוכה ביותר. התחום האחרון שבו עוסק המחקר הוא מציאת פתרון לבעיית ההתחממות הנוצרת בשל הגדלת צפיפות הזיכרון ומובילה לפגיעה בביצועי הזיכרון של מערכות עתירות ביצועים. אם ניקח לדוגמה זיכרון פס רחב (HBM) הבנוי מכמה שבבי זיכרון דינמי (DRAM) המונחים זה על גבי זה, למבנה זה אמנם צפיפות זיכרון גבוהה, אבל השבבים הצמודים זה לזה פולטים חום רב שלא מאפשר להפיק מהמבנה הזה את המירב.

בעתיד אני צופה שיצוצו תחומים חדשים. חידושים בתחומי מעגלי CMOS קריוגניים ומערכות מחשוב קוונטי יובילו ככל הנראה לצורך בפיתוח שבבי זיכרון שיכולים לעבוד בטמפרטורות קריוגניות. כמו כן, קרוב לוודאי שהמודעות ההולכת וגדלה לנושאי קיימות תשפיע על המחקר בתחום שבבי הזיכרון, מכיוון שרוב פרוסות הסיליקון המיוצרות כיום ברחבי העולם מיועדות לשבבי זיכרון ואחסון ולא עבור מעבדים. ולסיום, המעבר לחישובים אנלוגיים בזיכרון ברשתות נוירונים המשמשות ביישומי למידה עמוקה עשוי ליצור תחום חדש לגמרי: זיכרון נוירומורפי לא נדיף.”

כיצד מגיבה התעשייה למחקר בנושא הגדלת צפיפות הזיכרון?

“לאורך השנים, שיתוף הפעולה בין התעשייה למוסדות מחקר כמו imec הוביל לפיתוח טכנולוגיות זיכרון שונות, ובהן RRAM, זיכרון מגנטי (שניהם סוגים של זיכרון גישה אקראית מגנטי – MRAM), זיכרון שינוי פאזה (PCM) וזיכרון פרואלקטרי (Ferroelectric) למערכות מחשוב עצמאיות ולמערכות משובצות מחשב. המחקר בחן את יכולתן של טכנולוגיות הזיכרון החדשות הללו להחליף את טכנולוגיות זיכרון נדיף ולא נדיף מסורתיות (זיכרון גישה אקראית סטטי [SRAM], זיכרון דינמי [DRAM] וזיכרון הבזק מבוסס NAND) או כפתרון היברידי עבור מערכות מחשב מסורתיות, המגשר על הפער שבין שימוש בזיכרון DRAM מהיר אך יקר, לשימוש בשבבי זיכרון הבזק מבוסס NAND זולים אך אטים, במה שמכונה טכנולוגיית זיכרון SCM. על אף יתרונותיהן התיאורטיים, על פי רוב מתקשות הטכנולוגיות החדשות למצוא אחיזה מסחרית בשוק וכך חוזרות יצרניות שבבי זיכרון לחיפוש פתרונות להגדלת צפיפות הזיכרון של שבבי DRAM המשמשים כזיכרון הפנימי במחשב ושבבי זיכרון הבזק מבוסס NAND המשמשים לאחסון.

עם זאת, קיימים כמה יוצאים מן הכלל. אחת מהטכנולוגיות הללו היא זיכרון גישה אקראית מגנטי (MRAM), שאמנם השימוש בהן מוגבל, אבל משמשת כחלופה לשבבי זיכרון הבזק משובצים. ובהקשר זה, אחת משותפות התעשייה שלנו הכריזה על שימוש בזיכרון MRAM משובץ בתהליך ייצור 16 ננו־מטר כתחליף לזיכרון סטטי בעל גישה אקראית (SRAM), ברמת זיכרון המטמון הנמוכה ביותר במדרג הזיכרון. זאת יכולה להיות פריצת דרך משמעותית עבור טכנולוגיות שבבי הזיכרון החדשות.”

באילו אפיקים מתמקדת imec כדי למצוא פתרון לאתגרים המרכזיים שבדרך?

“Imec פועלת בשתי חזיתות. הראשונה: אנחנו מסייעים לשותפי התעשייה שלנו להמשיך ולמתוח את הטכנולוגיות המסורתיות של שבבי הזיכרון הדינמי (DRAM) ושבבי הבזק מבוסס NAND לגבול יכולתן. השנייה: אנחנו חוקרים טכנולוגיות זיכרון חדשות שלהן יתרונות על פני הטכנולוגיות המסורתיות המשמשות כיום בשוק.

דוגמה טובה היא טכנולוגיית זיכרון הבזק מבוסס NAND המשמשת לאחסון. לשבבים האלה צפיפות זיכרון גבוהה, הם זולים, אבל גם מאוד אטיים. כמענה לביקוש לצפיפות זיכרון גדולה יותר, נעשה שימוש בשבבי NAND תלת־ממדיים הבנויים מעד ל־176 שכבות (מילים), כשתאי הסיביות מסודרים בארכיטקטורת GAA (בתרגום חופשי: שערים מקיפים מכל הכיוונים). ככל שגדל מספר השכבות, כך עולה הצורך להקטין את עובי (גובה) השכבה ואת מידות התא (אורך ורוחב). Imec פיתחה שבבי NAND תלת־ממדיים בגובה 25 ננו־מטר ועובדת על ארכיטקטורות מבנה תאים חדשות (כמו סידור התאים בתעלה), כדי להקטין את מידות (אורך ורוחב) השבבים. כמו כן, עובדת imec על קיצור זמני התגובה של הזיכרון, תחום שבו מציגים טרנזיסטורים מסוג FeFET (טרנזיסטורי תוצא־שדה [FET] פרואלקטריים תלת־ממדיים) פוטנציאל מבטיח.

בתוך כך, אנחנו כבר נושאים מבט לעבר טכנולוגיות בעלות צפיפות זיכרון (TB/ממ”ר) גבוהה יותר ממה שאפשר להשיג בשימוש בשבבי NAND תלת־ממדיים, ובהן פתרונות על בסיס נוזל.”

מהי פריצת הדרך שהשיג הצוות שלך לאחרונה, ומה המשמעות שלה עבור התעשייה?

“בכינוס IEDM בשנת 2021, הצגנו תא זיכרון דינמי (DRAM) על בסיס IGZO (אינדיום־גליום־אבץ־חמצן) ללא קבל, שסולל את הדרך לפיתוח שבבי זיכרון פנימי DRAM תלת־ממדיים.

כיום, ארכיטקטורת תא הזיכרון הדינמי (DRAM) הנפוצה ביותר בתעשייה היא טרנזיסטור אחד וקבל אחד (1T1C), ואנחנו מאמינים שבחמש השנים הבאות אפשר יהיה לשפר אותה ולהפיק ממנה יותר.

תמונה – דוגמה למבנה אפשרי של שבב DRAM תלת־ממדי על בסיס מוליך למחצה חלופי. קרדיט: IMEC

בתוך כך, חלק מהשותפים שלנו עוסקים בחקר ארכיטקטורה תלת־ממדית להגדלת צפיפות הזיכרון של שבבי DRAM.

אנחנו תורמים למאמץ על ידי מציאת דרכים שונות וישימות לייצור המבנה התלת־ממדי הזה. כך לדוגמה: תא זיכרון ה־DRAM שלנו על בסיס IGZO בארכיטקטורת 2 טרנזיסטורים ואפס קבלים (2T0C), המתאים לתהליך ייצור BEOL, מאפשר להעביר את החלקים החיצוניים של תא הזיכרון אל מתחת לליבת התא וכך לערום תאי DRAM בודדים זה על גבי זה ליצירת מבנה תלת־ממדי. במקביל, מלבד IGZO, אנחנו בודקים שימוש בחומרים אחרים ליצירת התעלה, במטרה לשפר את ביצועי ויציבות הטרנזיסטור.”

אילו טכנולוגיות זיכרון חדשות נוספות יכולות ליצור עניין בתעשייה?

“אנחנו מתמקדים בשלוש טכנולוגיות חדשות עבור שוק שבבי ה־DRAM וה־SRAM, כלומר בעלות יעילות אנרגטית גבוהה, צפיפות זיכרון גבוהה, מהירות יותר משבבי DRAM ובעלות קצב העברת נתונים גבוה מאוד למעבד. הראשונה: הרחבת השימוש בשבבי DRAM תלת-ממדיים על בסיס IGZO, כשבבים בעלי צפיפות זיכרון גבוהה למערכות משובצות. השנייה: האפשרות להשתמש בזיכרון גישה אקראית (RAM) פרואלקטרי, שהוא זיכרון לא נדיף על בסיס טכנולוגיית DRAM בארכיטקטורת 1T1C שבו הקבל עשוי מחומר פרואלקטרי. במילים אחרות: אנחנו בודקים חומרים פרואלקטריים שיכולים להתאים לטכנולוגיות DRAM/SRAM המסורתיות.

והשלישית: סוגים שונים של טכנולוגיית זיכרון גישה אקראית מגנטי (MRAM), ובהן STT-MRAM (מומנט העברה ספין), VGSOT-MRAM (מומנט־מסלול־ספין) ו־VCMA-MRAM (בקרת מתח מלאה), שלכל אחת מהן יתרונות וחסרונות יחסיים בכל הנוגע למהירות, צריכת אנרגיה, אמינות ופוטנציאל ייצור מסחרי. כמו כן, אנחנו מפתחים פלטפורמות תואמות CMOS בגודל 300 מ”מ, כדי להפוך את הטכנולוגיות האלו לזמינות יותר.

מבין כולן, טכנולוגיית VGSOT-MRAM נראית המבטיחה ביותר להגדלת צפיפות הזיכרון.

יתרונה הגדול הוא בכך שאפשר לסדר את התאים במבנה של עמודות (עם מספר עמודי צמתי תעלה מגנטיים בשורת SOT אחת), עם שער VCMA עילי אחד המחליט לאיזה תא זיכרון לכתוב. ולא רק זה, אלא שטכנולוגיית VG-SOT גם מאפשרת העברת נתונים מהירה תוך פחות מננו־שנייה, כך שהיא מתאימה לשמש כזיכרון מטמון.”

תהליך הפיתוח של טכנולוגיות זיכרון חדשות מורכב משלבים רבים. מה השלב שאתה הכי אוהב ומדוע?

“באופן אישי, אני הכי נהנה מהשלבים הראשונים של פיתוח טכנולוגיה חדשה. הרגע הזה שבו אתה מרגיש שהצלחת לזקק ולנסח במדויק את הבעיה האמיתית שעבורה נדרש פתרון, הוא אחד האהובים עליי. בדרך כלל יש הרבה רעשי רקע סביב טכנולוגיה חדשה. אם ניקח את שבבי ה־DRAM התלת־ממדיים כדוגמה, צריך לקחת את עושר המידע (מאמרים, פטנטים וכן הלאה), לסנן את הטפל, לזהות ולנסח במדויק את הבעיה שעבורה נדרש פתרון. זהו שלב חיוני במחקר. ניסוח הבעיה מוביל לרוב לרגע נהדר נוסף: תחילת חיפוש פתרונות לבעיה. אם נחזור לדוגמה שלנו, חיפוש תהליכי ייצור חדשים של שבבי DRAM תלת־ממדיים.

לדעתי, ניסוח הבעיה והנחת היסודות לפתרונה הם מהמשימות החשובות ביותר של imec. זה בדיוק מה ששותפי התעשייה שלנו מצפים מאיתנו וכדי לעמוד במשימה הזאת, החוקרים שלנו צריכים לאהוב ולחיות טכנולוגיה.”