Ανάπτυξη ReRAM ως μνήμη on-chip επόμενης γενιάς για μηχανική εκμάθηση, επεξεργασία εικόνας και άλλες προηγμένες εφαρμογές CPU

Στη σύγχρονη λειτουργία της συσκευής CPU, το 80% έως το 90% της κατανάλωσης ενέργειας και οι καθυστερήσεις χρονισμού προκαλούνται από τη μετακίνηση δεδομένων μεταξύ της CPU και της μνήμης εκτός τσιπ. Για να μετριάσουν αυτήν την ανησυχία απόδοσης, οι σχεδιαστές προσθέτουν επιπλέον μνήμη στο τσιπ στις CPU τους. Παραδοσιακά, η SRAM ήταν ο πιο ευρέως χρησιμοποιούμενος τύπος μνήμης CPU σε τσιπ. Δυστυχώς, η SRAM αυτή τη στιγμή περιορίζεται σε μέγεθος εκατοντάδων megabyte. Αυτός ο περιορισμός μνήμης στο chip μπορεί να είναι ανεπαρκής για εφαρμογές αιχμής.

Οι μελλοντικές εφαρμογές CPU, όπως ο προγραμματισμός μοντέλου γλώσσας AI και η επεξεργασία εικόνας για βίντεο 8K UHD, θα απαιτούν εύρος ζώνης πρόσβασης στη μνήμη I/O στην περιοχή των 10 terabyte/sec. Για να ικανοποιηθούν αυτές οι απαιτήσεις εύρους ζώνης, η μνήμη CPU στο chip θα πρέπει να έχει μέγεθος μεγαλύτερο από 1 terabyte. Ενδέχεται να χρειαστεί μια εναλλακτική λύση SRAM για την κάλυψη αυτών των μελλοντικών απαιτήσεων μνήμης στο chip. Μια πιθανή λύση σε αυτό το πρόβλημα θα ήταν η χρήση της Resistive Random Access Memory (ReRAM). [1,2,3]

Μια συσκευή ReRAM είναι μια μη πτητική κυψέλη μνήμης που περιέχει υλικά memristor. Αυτά τα υλικά λειτουργούν ως διηλεκτρικός μονωτήρας. Όταν εφαρμόζεται μια αρκετά υψηλή τάση σχηματίζεται μια διαδρομή αγωγιμότητας. Τα τυπικά υλικά μνήμης που χρησιμοποιούνται ως memristors περιλαμβάνουν το HfO₂, Τα₂O₅, και TiO₂. [4] Η κατάσταση αντίστασης της κυψέλης μνήμης μπορεί να διαβαστεί χρησιμοποιώντας ηλεκτρονικά κυκλώματα για να προσδιοριστεί εάν η κυψέλη μνήμης έχει προγραμματιστεί ή διαγραφεί, προσδιορίζοντας έτσι την κατάσταση του bit μνήμης. Τα κελιά μνήμης ReRAM μπορούν να στοιβάζονται κάθετα, όπως η αρχιτεκτονική 3D-NAND, για να αυξηθεί η πυκνότητα αποθήκευσης.

Σε αυτό το άρθρο, SEMulator3D Virtual Fabrication θα χρησιμοποιηθεί για την εύρεση διαδρομής διεργασιών και την οπτικοποίηση πιθανών αρχιτεκτονικών 3D ReRAM. Θα εκτιμήσουμε την αντίσταση κυψέλης ως συνάρτηση του σχήματος της κυψέλης μνήμης, μαζί με την απόδοση Id-Vg του ενσωματωμένου τρανζίστορ καναλιού σε μια συσκευή ReRAM.

Ένα μοντέλο 3D ReRAM φαίνεται στο σχήμα 1. Η συσκευή έχει 64 στρώματα γραμμών λέξεων (WL) με πυλώνες τοποθετημένες σε μια διάταξη εξαγωνικής απόστασης. Οι γραμμές λέξεων σχηματίζονται με εναλλασσόμενα στρώματα μεταλλικών αγωγών και διηλεκτρικού οξειδίου. Οι κολώνες χαράσσονται μέσω του WL και στη συνέχεια ένα λεπτό στρώμα υλικού μνήμης εναποτίθεται στα πλευρικά τοιχώματα των στύλων. Το υλικό μνήμης αφαιρείται από το κάτω και το πάνω μέρος των στύλων, αφήνοντας μόνο το υλικό στα πλευρικά τοιχώματα της κολόνας. Στη συνέχεια, οι κολώνες γεμίζονται με πυρίμαχο μέταλλο και βολφράμιο.

Κάτω από τα στρώματα της διάταξης υπάρχουν επαφές και μεταλλική διασύνδεση με την πηγή, την αποστράγγιση και τις πύλες των τρανζίστορ φαινομένου πεδίου gate-all-around (GAA FET). Η αποστράγγιση του τρανζίστορ συνδέεται με τον πυλώνα της διάταξης μνήμης και συνδυάζεται με το κύκλωμα WL για να παρέχει λειτουργία σε κάθε κυψέλη μνήμης.

Η κυψέλη μνήμης αποτελείται από δύο μεταλλικά ηλεκτρόδια: τη γραμμή λέξης μεταλλικού αγωγού και ένα πυρίμαχο μεταλλικό ηλεκτρόδιο (εικόνα 2). Κατά την εικονική προσομοίωση διεργασίας αυτής της συσκευής, θα χρησιμοποιήσουμε μεταβλητές διεργασίας για να ρυθμίσουμε και να επαναφέρουμε το memristor. Μια σκόπιμα εφαρμοζόμενη τάση θα δημιουργήσει μικροσκοπικές αγώγιμες διαδρομές που ονομάζονται αγώγιμα νήματα. Όταν εφαρμόζονται ηλεκτρικά σήματα διαφορετικών πολικοτήτων, τα φορτισμένα ιόντα μέσα στο memristor κινούνται για να σχηματίσουν (πήξουν) ή διαλύσουν (επαναφέρουν) το αγώγιμο νήμα.

Η αντίσταση του αγώγιμου νήματος ποικίλλει σε διαφορετικές τάσεις προγράμματος. Η κατάσταση χαμηλής αντίστασης είναι στην περιοχή των 10k ohm (set) και η κατάσταση υψηλής αντίστασης είναι στην περιοχή 1M ohm (επαναφορά). [5] Αναπτύξαμε ένα εικονικό μοντέλο για να δείξουμε τις αντιστάσεις μεταγωγής μιας συσκευής 3D ReRAM, με τα αποτελέσματα να εμφανίζονται στο σχήμα 3. Η κατάσταση υψηλής αντίστασης του memristor είναι περίπου 100 φορές μεγαλύτερη αντίσταση από την κατάσταση χαμηλής αντίστασης.

Στη συνέχεια εκτελέστηκε ένας εικονικός σχεδιασμός πειραμάτων (DOE) για την καλύτερη κατανόηση της συσχέτισης μεταξύ του λόγου αντίστασης κυψέλης μνήμης και του μεγέθους και του σχήματος του κελιού μνήμης. Οι μεταβλητές του πειράματος ήταν το πάχος CD, WL και πάχος μεμρίστορ. Η ανάλυση των αποτελεσμάτων DOE δείχνει ότι το CD της κολόνας και το πάχος του memristor οδήγησαν την πιο σημαντική απόκριση. Το Σχήμα 4 δείχνει μια γραφική παράσταση περιγράμματος του λόγου αντίστασης κυψέλης μνήμης έναντι αυτών των δύο μεταβλητών. Υπήρξε μια αλλαγή 3 φορές στην αντίσταση της κυψέλης μνήμης για υψηλές τιμές ακτίνας κολόνας και πάχους memristor. Οι διαφορές στο σχήμα της κυψέλης μνήμης σε όλο το εύρος που μελετήθηκε δεν θα επηρεάσουν την ικανότητα ανάγνωσης των καταστάσεων μνήμης του memristor, αλλά θα μπορούσαν να επηρεάσουν την ικανότητα διάκρισης των καταστάσεων προγράμματος σε μια συσκευή πολλαπλών bit ανά κυψέλη.

Το memristor μπορεί να προγραμματιστεί χρησιμοποιώντας ρεύμα < 0.10 uA και τάση < 0.5 V. Αυτές οι ρυθμίσεις τάσης και ρεύματος θα επιτρέψουν στα memristors (μνήμη ReRAM) να ενσωματωθούν εύκολα ως μνήμη στο τσιπ σε προηγμένες λογικές συσκευές. Η προσομοίωση συσκευής SEMulator3D έχει αποδείξει προηγουμένως ότι ένα τρανζίστορ GAA FET κάτω από τη διάταξη θα πρέπει να είναι σε θέση να οδηγεί την τάση και το ρεύμα που απαιτούνται από τις καταστάσεις ρύθμισης και επαναφοράς μιας κυψέλης μνήμης memristor. [6]

Δύο σημαντικά προβλήματα των σύγχρονων συσκευών CPU είναι η κατανάλωση ενέργειας και ο χρόνος καθυστέρησης που προκαλείται από τη μετακίνηση δεδομένων μεταξύ της CPU και της μνήμης εκτός τσιπ. Η αύξηση του μεγέθους της μνήμης στο τσιπ μπορεί να λύσει αυτά τα προβλήματα. Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήσαμε το SEMulator3D για να διερευνήσουμε την ενσωμάτωση μιας εναλλακτικής SRAM (ReRAM) για CPU για μνήμη στο τσιπ. Χρησιμοποιήσαμε ένα εικονικό μοντέλο για να κατανοήσουμε καλύτερα τα βήματα της διαδικασίας και τα πιθανά προβλήματα διάταξης για μεμονωμένες κυψέλες memristor. Πραγματοποιήσαμε επίσης μελέτες για να εξετάσουμε τις καταστάσεις ρύθμισης και επαναφοράς του memristor και την επίδραση των διαστάσεων της συσκευής (σχήμα και μέγεθος κυψέλης μνήμης) στην αντίσταση της γραμμής λέξεων. Τονίσαμε ότι η ενσωματωμένη μνήμη ReRAM μπορεί να ενσωματωθεί με προηγμένη λογική, χρησιμοποιώντας μια ηλεκτρική έξοδο τρανζίστορ GAA pFET για να ρυθμίσετε και να επαναφέρετε τις κυψέλες μεμρίστορ. Αυτά τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν ότι η Resistive Random Access Memory (ReRAM) είναι μια πολλά υποσχόμενη εναλλακτική λύση στην ενσωματωμένη μνήμη SRAM για μελλοντικές λογικές εφαρμογές υψηλού εύρους ζώνης.

αναφορές

1. Lanza, Mario (2014). «Μια ανασκόπηση για την ωμική μεταγωγή σε διηλεκτρικά υψηλής k: Μια άποψη νανοκλίμακας με χρήση μικροσκοπίου αγώγιμου ατομικής δύναμης». Υλικά, τόμ. 7, τεύχος 3, σελ. 2155-2182, doi:10.3390/ma7032155.
2. N. Sedghi, et al, «The role of nitrogen doping in ALD Ta2O5 and its influence on multilevel cell switching in RRAM», Μάρτιος 2017, Applied Physics Letters, DOI:10.1063/1.4978033
3. Y. Bai, Et Al, "Study of Multi-level Characteristics for 3D Vertical Resistive Switching Memory" Επιστημονικές Αναφορές τόμος 4, αριθμός άρθρου: 5780 (2014)
4. Chen, YC, Sarkar, S., Gibbs, JG, Huang, Y., Lee, JC, Lin, CC, & Lin, CH (2022). “Nano Helical-Shaped Dual-Functional Resistive Memory for Low-Power Crossbar Array Application.” ACS Applied Engineering Materials, 1(1), 252-257.
5. Y. Wu, et al, “Nanometer-Scale HfOx RRAM”, IEEE Electron Device Letters, Volume: 34, Issue: 8, August 2013), doi:10.1109/LED.2013.2265404
6. V. Sreenivasulu, et al, "Circuit Analysis and Optimization of GAA Nanowire FET Towards Low Power and High Switching", 11 Νοεμβρίου 2021, Computer Science, doi:10.1007/s12633-022-01777-6.