In modern CPU device operation, 80% to 90% of energy consumption and timing delays are caused by the movement of data between the CPU and off-chip memory. To alleviate this performance concern, designers are adding additional on-chip memory to their CPUs. Traditionally, SRAM has been the most widely used on-chip CPU memory type. Unfortunately, SRAM is currently limited to a size of hundreds of megabytes. This on-chip memory constraint may be insufficient for leading edge applications.
Future CPU applications, such as AI Language Model programming and image processing for 8K UHD video, will require I/O memory access bandwidth in the range of 10 terabytes/sec. To meet these bandwidth requirements, on-chip CPU memory will need to be greater than 1 terabyte in size. An SRAM alternative may be needed to meet these future on-chip memory requirements. One possible solution to this problem would be to use Resistive Random Access Memory (ReRAM). [1,2,3]
A ReRAM device is a non-volatile memory cell that contains memristor materials. These materials act as a dielectric insulator. When a sufficiently high voltage is applied a conduction path is formed. Typical memory materials used as memristors include HfO2, Ta2O5, ו-TiO2. [4] The resistive state of the memory cell can be read using electronic circuits to determine if the memory cell is programmed or erased, thus identifying the state of the memory bit. ReRAM memory cells can be stacked vertically, like 3D-NAND architecture, to increase the storage density.
במאמר זה, SEMulator3D Virtual Fabrication will be used for process pathfinding and visualization of potential 3D ReRAM architectures. We will estimate cell resistance as a function of memory cell shape, along with the Id-Vg performance of the embedded channel transistor in a ReRAM device.
A 3D ReRAM model is shown in figure 1. The device has 64 layers of wordlines (WL) with pillars placed in a hexagonal spaced array. The wordlines are formed with alternating layers of metallic conductors and oxide dielectric. The pillars are etched through the WL and then a thin layer of memory material is deposited onto the sidewalls of the pillars. The memory material is removed from the bottom and top of the pillars, leaving only the material on the sidewalls of the pillar. The pillars are then filled with refractory metal and tungsten.
Under the array layers are contacts and metal interconnect to the source, drain and gates of gate-all-around field effect transistors (GAA FET). The transistor drain connects to the memory array pillar and combines with the WL circuit to provide function to each memory cell.
The memory cell consists of two metal electrodes: the metallic conductor wordline and a refractory metal electrode (figure 2). During virtual process simulation of this device, we will use process variables to set and reset the memristor. A deliberately applied voltage will create microscopic conductive paths called conductive filaments. When electrical signals of different polarities are applied, the charged ions inside the memristor move to form (set) or dissolve (reset) the conductive filament.
The conductive filament resistance varies at different program voltages. The low resistance state is in the range of 10k ohm (set) and the high resistance state is in the range of 1M ohm (reset). [5] We developed a virtual model to demonstrate the switching resistances of a 3D ReRAM device, with results displayed in figure 3. The high resistive state of the memristor is approximately 100 times higher resistance than the low resistive state.
A virtual Design of Experiments (DOE) was then executed to better understand the correlation between the memory cell resistance ratio and the size and shape of the memory cell. The variables of the experiment were pillar CD, WL thickness and memristor thickness. Analysis of the DOE results indicate that pillar CD and thickness of the memristor drove the most significant response. Figure 4 displays a contour plot of the memory cell resistance ratio versus these two variables. There was a 3X change in the memory cell resistance for high values of pillar radius and memristor thickness. The differences in shape of the memory cell across the studied range will not affect the ability to read the memory states of the memristor but could affect the ability to discern program states in a multibit per cell device.
The memristor can be programmed using a current < 0.10 uA and a voltage < 0.5V. These voltage and current settings will allow memristors (ReRAM memory) to easily integrate as on-chip memory into advanced logic devices. SEMulator3D device simulation has previously demonstrated that a GAA FET under-array transistor should be able to drive the voltage and current required by the set and reset states of a memristor memory cell. [6]
Two major problems of modern CPU devices are energy consumption and delay time caused by data movement between the CPU and off-chip memory. Increasing the size of on-chip memory may solve these problems. In this study, we have used SEMulator3D to investigate the integration of an SRAM alternative (ReRAM) for CPU for on-chip memory. We used a virtual model to better understand process steps and potential layout problems for individual memristor cells. We also executed studies to examine the set and reset states of the memristor and the effect of device dimensions (memory cell shape and size) on wordline resistance. We highlighted that ReRAM on-board memory can be integrated with advanced logic, by using a GAA pFET transistor electrical output to set and reset the memristor cells. These results confirm that Resistive Random Access Memory (ReRAM) is a promising alternative to on-board SRAM memory for future high-bandwidth logic applications.
הפניות
- Lanza, Mario (2014). “A Review on Resistive Switching in High-k Dielectrics: A Nanoscale Point of View Using Conductive Atomic Force Microscope”. Materials, vol. 7, issue 3, pp. 2155-2182, doi:10.3390/ma7032155.
- N. Sedghi, et al, “The role of nitrogen doping in ALD Ta2O5 and its influence on multilevel cell switching in RRAM”, March 2017, Applied Physics Letters, DOI:10.1063/1.4978033
- Y. Bai, Et Al, “Study of Multi-level Characteristics for 3D Vertical Resistive Switching Memory” Scientific Reports volume 4, Article number: 5780 (2014)
- Chen, Y. C., Sarkar, S., Gibbs, J. G., Huang, Y., Lee, J. C., Lin, C. C., & Lin, C. H. (2022). “Nano Helical-Shaped Dual-Functional Resistive Memory for Low-Power Crossbar Array Application.”, ACS Applied Engineering Materials, 1(1), 252-257.
- Y. Wu, et al, “Nanometer-Scale HfOx RRAM”, IEEE Electron Device Letters, Volume: 34, Issue: 8, August 2013), doi:10.1109/LED.2013.2265404
- V. Sreenivasulu, et al, “Circuit Analysis and Optimization of GAA Nanowire FET Towards Low Power and High Switching”, November 11, 2021, Computer Science, doi:10.1007/s12633-022-01777-6.
ברט לואו
Brett Lowe is a manager in the semiconductor process and integration team at Coventor, a Lam Research Company. He has worked in semiconductor technology development for more than 35 years. He began his career at Philips Semiconductors, where he worked in manufacturing and process development as a process engineer in the photolithography, dry etch and wet process areas. He then spent eight years at Zilog, working on unit process development. Later, Brett joined Micron Technology, where he worked in DRAM and 3D NAND process development and integration. At Coventor, his focus is on supporting the company’s customers in their 3D semiconductor process modeling and technology development requirements.
- הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
- PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
- PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
- מקור: https://semiengineering.com/developing-reram-as-next-generation-on-chip-memory-for-machine-learning-image-processing-and-other-advanced-cpu-applications/
- :יש ל
- :הוא
- :לֹא
- :איפה
- 1
- 10
- 100
- 10K
- 11
- 16
- 1M
- 2013
- 2014
- 2017
- 2021
- 2022
- 35%
- 3d
- 400
- 7
- 75
- 8
- 8k
- a
- יכולת
- יכול
- גישה
- לרוחב
- לפעול
- מוסיף
- נוסף
- מתקדם
- להשפיע על
- AI
- AL
- תעשיות
- כל ההודעות
- להקל
- להתיר
- לאורך
- גם
- חלופה
- an
- אנליזה
- ו
- בקשה
- יישומים
- יישומית
- בערך
- ארכיטקטורה
- ARE
- אזורים
- מערך
- מאמר
- AS
- At
- אטומי
- אוגוסט
- b
- רוחב פס
- BE
- היה
- החל
- מוטב
- בֵּין
- קצת
- שחור
- תַחתִית
- חום
- צורר
- אבל
- by
- נקרא
- CAN
- קריירה
- גרם
- CD
- תא
- תאים
- מרכז
- שינוי
- ערוץ
- מאפיינים
- טעון
- משלב
- חברה
- של החברה
- לעומת
- המחשב
- מדעי מחשב
- דְאָגָה
- מנצח
- לאשר
- מתחבר
- מורכב
- צְרִיכָה
- אנשי קשר
- מכיל
- מתאם
- יכול
- CPU
- לִיצוֹר
- נוצר
- לַחֲצוֹת
- נוֹכְחִי
- כיום
- לקוחות
- כהה
- נתונים
- עיכוב
- עיכובים
- להפגין
- מופגן
- צפיפות
- שהופקדו
- עיצוב
- מעצבים
- לקבוע
- מפותח
- מתפתח
- צעצועי התפתחות
- מכשיר
- התקנים
- הבדל
- ההבדלים
- אחר
- ממדים
- לְהַבחִין
- מוצג
- מציג
- DOE
- לנקז
- ציור
- נהיגה
- לייבש
- בְּמַהֲלָך
- E&T
- כל אחד
- בקלות
- אדג '
- השפעה
- שמונה
- אֶלֶקטרוֹנִי
- מוטבע
- אנרגיה
- צריכת אנרגיה
- מהנדס
- הנדסה
- לְהַעֲרִיך
- Ether (ETH)
- לִבחוֹן
- יצא לפועל
- לְנַסוֹת
- ניסויים
- FET
- שדה
- תרשים
- ממולא
- להתמקד
- בעד
- להכריח
- טופס
- נוצר
- צורות
- מצא
- החל מ-
- פונקציה
- עתיד
- שער
- גייטס
- דור
- גרף
- יותר
- ירוק
- יש
- he
- גָבוֹהַ
- גבוה יותר
- מודגש
- שֶׁלוֹ
- HTTPS
- huang
- מאות
- ID
- זיהוי
- IEEE
- if
- תמונה
- in
- לכלול
- להגדיל
- גדל
- להצביע
- בנפרד
- להשפיע
- בתוך
- לשלב
- משולב
- השתלבות
- אל תוך
- לחקור
- סוגיה
- שֶׁלָה
- הצטרף
- לנוס
- שפה
- מאוחר יותר
- שכבה
- שכבות
- מערך
- מוביל
- למידה
- עזיבה
- מחסה
- עזבו
- כמו
- מוגבל
- לין
- הגיון
- נמוך
- מכונה
- למידת מכונה
- גדול
- מנהל
- ייצור
- צעדה
- מריו
- חוֹמֶר
- חומרים
- max-width
- מאי..
- לִפְגוֹשׁ
- זכרון
- מתכת
- מיקרון
- מודל
- דוגמנות
- מודרני
- יותר
- רוב
- המהלך
- תנועה
- צורך
- נחוץ
- הבא
- נוֹבֶמבֶּר
- מספר
- of
- OHM
- on
- ONE
- רק
- מבצע
- אופטימיזציה
- or
- אחר
- תפוקה
- נתיב
- שבילים
- עבור
- ביצועים
- פיליפס
- פיסיקה
- עַמוּד
- עמודים
- ורוד
- מוצב
- אפלטון
- מודיעין אפלטון
- אפלטון נתונים
- נקודה
- נקודת מבט
- אפשרי
- הודעות
- פוטנציאל
- כּוֹחַ
- קוֹדֶם
- בעיה
- בעיות
- תהליך
- תהליך
- תָכְנִית
- מתוכנה
- תכנות
- מבטיח
- לספק
- אקראי
- רכס
- יחס
- חומר עיוני
- Red
- הוסר
- דוחות לדוגמא
- לדרוש
- נדרש
- דרישות
- מחקר
- התנגדות
- תגובה
- תוצאות
- סקירה
- תקין
- תפקיד
- s
- מדע
- מדעי
- סעיף
- סמיקונדקטור
- סמיקונדקטורס
- סט
- הגדרות
- צוּרָה
- צריך
- הראה
- צד
- אותות
- משמעותי
- הדמיה
- מידה
- פִּתָרוֹן
- לפתור
- מָקוֹר
- בילה
- מְגוּבָּב
- מדינה
- הברית
- צעדים
- אחסון
- מְחוֹשָׁב
- מחקרים
- לימוד
- כזה
- מסייע
- נבחרת
- טכנולוגיה
- פיתוח טכנולוגי
- מֵאֲשֶׁר
- זֶה
- השמיים
- הגרף
- המקור
- המדינה
- שֶׁלָהֶם
- אז
- שם.
- אלה
- זֶה
- דרך
- כָּך
- זמן
- פִּי
- תזמון
- ל
- חלק עליון
- לקראת
- באופן מסורתי
- שתיים
- סוג
- טיפוסי
- תחת
- להבין
- לצערי
- יחידה
- להשתמש
- מְשׁוּמָשׁ
- באמצעות
- ערכים
- שונים
- נגד
- אנכי
- בֵּמְאוּנָך
- וִידֵאוֹ
- לצפיה
- וירטואלי
- ראיה
- מתח
- כֶּרֶך
- vs
- היה
- we
- webp
- היו
- מתי
- בזמן
- לבן
- באופן נרחב
- יצטרך
- עם
- עבד
- עובד
- היה
- wu
- שנים
- זפירנט