A ReRAM fejlesztése következő generációs chipes memóriaként gépi tanuláshoz, képfeldolgozáshoz és egyéb fejlett CPU-alkalmazásokhoz

A modern CPU-eszközök működésében az energiafogyasztás és az időzítési késések 80-90%-át a CPU és a chipen kívüli memória közötti adatmozgás okozza. A teljesítményprobléma enyhítésére a tervezők további chip-memóriát adnak CPU-jukhoz. Hagyományosan az SRAM volt a legszélesebb körben használt chipen belüli CPU memóriatípus. Sajnos az SRAM jelenleg több száz megabájtra korlátozódik. Előfordulhat, hogy ez a chip-memóriakorlát nem elegendő az élvonalbeli alkalmazásokhoz.

A jövőbeni CPU-alkalmazások, például az AI nyelvi modell programozása és a 8K UHD videó képfeldolgozása 10 terabájt/sec sávszélességet igényelnek az I/O memória hozzáférési sávszélességéért. E sávszélességi követelmények teljesítéséhez a chipen lévő CPU-memóriának 1 terabájtnál nagyobbnak kell lennie. Szükség lehet egy alternatív SRAM-ra, hogy megfeleljenek ezeknek a jövőbeli chip-memóriakövetelményeknek. A probléma egyik lehetséges megoldása a Resistive Random Access Memory (ReRAM) használata. [1,2,3]

A ReRAM eszköz egy nem felejtő memóriacella, amely memristor anyagokat tartalmaz. Ezek az anyagok dielektromos szigetelőként működnek. Ha kellően nagy feszültséget alkalmazunk, vezetési út alakul ki. A memrisztorként használt tipikus memóriaanyagok közé tartozik a HfO₂, Ta₂O₅és TiO₂. [4] A memóriacella rezisztív állapota elektronikus áramkörök segítségével leolvasható annak megállapítására, hogy a memóriacella programozott vagy törölve van-e, így azonosítható a memóriabit állapota. A ReRAM memóriacellák a 3D-NAND architektúrához hasonlóan függőlegesen egymásra rakhatók a tárolási sűrűség növelése érdekében.

Ebben a cikkben, SEMulator3D virtuális gyártás folyamatútkeresésre és a potenciális 3D ReRAM architektúrák megjelenítésére fogják használni. Megbecsüljük a cella ellenállását a memóriacella alakjának függvényében, valamint a beágyazott csatornás tranzisztor Id-Vg teljesítményét egy ReRAM eszközben.

Az 3. ábrán egy 1D ReRAM modell látható. Az eszköz 64 rétegű szósort (WL) tartalmaz, oszlopokkal egy hatszögletű térközzel elhelyezett tömbben. A szósorokat fémes vezetők és oxiddielektrikum váltakozó rétegei alkotják. A pillérek a WL-en keresztül vannak maratva, majd egy vékony réteg memóriaanyagot raknak le a pillérek oldalfalára. A pillérek aljáról és tetejéről eltávolítják az emlékanyagot, így csak az oszlop oldalfalain marad az anyag. Az oszlopokat ezután tűzálló fémmel és volfrámmal töltik fel.

A tömbrétegek alatt érintkezők és fém összeköttetések találhatók a gate-all-around terepeffektus tranzisztorok (GAA FET) forrásához, leeresztőjéhez és kapuihoz. A tranzisztor leeresztő csatlakozik a memóriatömb pilléréhez, és egyesül a WL áramkörrel, hogy funkciót biztosítson minden memóriacellának.

A memóriacella két fémelektródából áll: a fémvezető szóvonalból és egy tűzálló fémelektródából (2. ábra). Az eszköz virtuális folyamatszimulációja során folyamatváltozókat fogunk használni a memristor beállításához és visszaállításához. A szándékosan alkalmazott feszültség mikroszkopikus vezető utakat hoz létre, amelyeket vezető szálaknak nevezünk. Különböző polaritású elektromos jelek alkalmazásakor a memrisztor belsejében lévő töltött ionok elmozdulnak, hogy kialakítsák (beállítsák) vagy feloldják (reset) a vezető izzószálat.

A vezető izzószál ellenállása különböző programfeszültségeknél változik. Az alacsony ellenállás állapota 10k ohm (beállítás), a nagy ellenállás állapota pedig 1M ohm (reset) tartományba esik. [5] Kifejlesztettünk egy virtuális modellt egy 3D ReRAM eszköz kapcsolási ellenállásának bemutatására, az eredményeket a 3. ábra mutatja. A memrisztor nagy ellenállású állapota körülbelül 100-szor nagyobb ellenállást jelent, mint az alacsony ellenállású állapot.

Ezután egy virtuális kísérlettervezést (DOE) hajtottak végre, hogy jobban megértsék a memóriacella ellenállási aránya és a memóriacella mérete és alakja közötti összefüggést. A kísérlet változói a pillér CD, a WL vastagság és a memrisztor vastagság voltak. A DOE eredmények elemzése azt mutatja, hogy a CD oszlop és a memrisztor vastagsága okozta a legjelentősebb választ. A 4. ábra a memóriacella ellenállási arányának kontúrdiagramját mutatja e két változó függvényében. Háromszoros változás történt a memóriacella ellenállásában a pillér sugarának és a memrisztor vastagságának magas értékei esetén. A memóriacella alakjának különbségei a vizsgált tartományon belül nem befolyásolják a memrisztor memóriaállapotainak olvasásának képességét, de hatással lehetnek a programállapotok felismerésére a többbites per cella eszközben.

A memrisztor < 0.10 uA áramerősséggel és < 0.5 V feszültséggel programozható. Ezek a feszültség- és árambeállítások lehetővé teszik a memristorok (ReRAM-memória) számára, hogy chipen belüli memóriaként könnyen integrálódjanak a fejlett logikai eszközökbe. A SEMulator3D eszközszimuláció már korábban kimutatta, hogy egy GAA FET tömb alatti tranzisztornak képesnek kell lennie a memrisztor memóriacella beállítási és visszaállítási állapotához szükséges feszültség és áram meghajtására. [6]

A modern CPU-eszközök két fő problémája az energiafogyasztás és a késleltetés, amelyet a CPU és a chipen kívüli memória közötti adatmozgás okoz. A chipen belüli memória méretének növelése megoldhatja ezeket a problémákat. Ebben a tanulmányban a SEMulator3D segítségével megvizsgáltuk egy SRAM-alternatíva (ReRAM) integrálását a CPU-hoz a chip-memóriához. Virtuális modellt használtunk, hogy jobban megértsük a folyamat lépéseit és az egyes memrisztorcellák lehetséges elrendezési problémáit. Vizsgálatokat is végeztünk a memrisztor beállítási és visszaállítási állapotának, valamint az eszköz méreteinek (memóriacella alakja és mérete) szóvonal-ellenállásra gyakorolt ​​hatásának vizsgálatára. Kiemeltük, hogy a ReRAM beépített memóriája fejlett logikával integrálható GAA pFET tranzisztoros elektromos kimenet használatával a memrisztorcellák beállításához és visszaállításához. Ezek az eredmények megerősítik, hogy a Resistive Random Access Memory (ReRAM) ígéretes alternatívája a beépített SRAM-memóriának a jövőbeni nagy sávszélességű logikai alkalmazások számára.

Referenciák

1. Lanza, Mario (2014). „Áttekintés a rezisztív kapcsolásról a High-k dielektrikumokban: Nanoléptékű nézőpont vezető atomerő-mikroszkóp használatával”. Anyagok, vol. 7. szám, 3. szám, 2155-2182. o., doi:10.3390/ma7032155.
2. N. Sedghi és munkatársai, „A nitrogénadagolás szerepe az ALD Ta2O5-ben és hatása a többszintű cellaváltásra RRAM-ban”, 2017. március, Applied Physics Letters, DOI:10.1063/1.4978033
3. Y. Bai, Et al, „Study of Multi-level Characteristics for 3D Vertical Resistive Switching Memory” Scientific Reports, 4. kötet, Cikkszám: 5780 (2014)
4. Chen, YC, Sarkar, S., Gibbs, JG, Huang, Y., Lee, JC, Lin, CC és Lin, CH (2022). „Nano-spirál alakú, kétfunkciós rezisztív memória kis teljesítményű keresztrúd-tömb alkalmazásokhoz.”, ACS Applied Engineering Materials, 1(1), 252-257.
5. Y. Wu és munkatársai, „Nanometer-Scale HfOx RRAM”, IEEE Electron Device Letters, 34. kötet, 8. szám, 2013. augusztus), doi: 10.1109/LED.2013.2265404
6. V. Sreenivasulu és munkatársai, „A GAA nanowire FET áramkör-elemzése és optimalizálása a kis teljesítményű és nagy kapcsolási viszonyok felé”, 11. november 2021., Computer Science, doi:10.1007/s12633-022-01777-6.