פיתוח ReRAM כזיכרון On-Chip מהדור הבא עבור למידת מכונה, עיבוד תמונה ויישומי מעבד מתקדמים אחרים

בפעולת מכשירי מעבד מודרניים, 80% עד 90% מצריכת האנרגיה והעיכובים בתזמון נגרמים על ידי תנועה של נתונים בין המעבד לזיכרון מחוץ לשבב. כדי להקל על דאגת הביצועים הזו, מעצבים מוסיפים זיכרון נוסף על השבב למעבדים שלהם. באופן מסורתי, SRAM היה סוג זיכרון ה-CPU שבשבב הנפוץ ביותר. לרוע המזל, SRAM מוגבל כרגע לגודל של מאות מגה-בייט. אילוץ זיכרון על-שבב זה עשוי להיות לא מספיק עבור יישומי קצה מובילים.

יישומי CPU עתידיים, כגון תכנות AI Language Model ועיבוד תמונה עבור וידאו 8K UHD, ידרשו רוחב פס גישה לזיכרון I/O בטווח של 10 טרה-בייט/שנייה. כדי לעמוד בדרישות רוחב הפס הללו, זיכרון ה-CPU על-שבב יצטרך להיות בגודל של יותר מ-1 טרה-בייט. ייתכן שיהיה צורך בחלופת SRAM כדי לעמוד בדרישות הזיכרון העתידיות על-שבב אלה. פתרון אפשרי אחד לבעיה זו יהיה שימוש בזיכרון גישה אקראית התנגדות (ReRAM). [1,2,3]

התקן ReRAM הוא תא זיכרון לא נדיף המכיל חומרים ממריסטורים. חומרים אלה פועלים כמבודד דיאלקטרי. כאשר מופעל מתח גבוה מספיק נוצר נתיב הולכה. חומרי זיכרון טיפוסיים המשמשים כממריסטורים כוללים HfO₂, טא₂O₅, ו-TiO₂. [4] ניתן לקרוא את המצב ההתנגדות של תא הזיכרון באמצעות מעגלים אלקטרוניים כדי לקבוע אם תא הזיכרון מתוכנת או נמחק, ובכך לזהות את מצב סיבית הזיכרון. ניתן לערום תאי זיכרון ReRAM אנכית, כמו ארכיטקטורת 3D-NAND, כדי להגדיל את צפיפות האחסון.

במאמר זה, ייצור וירטואלי של SEmulator3D ישמש לאיתור נתיב תהליך והדמיה של ארכיטקטורות 3D ReRAM פוטנציאליות. נאמוד את התנגדות התא כפונקציה של צורת תא הזיכרון, יחד עם ביצועי Id-Vg של טרנזיסטור הערוץ המוטבע בהתקן ReRAM.

דגם 3D ReRAM מוצג באיור 1. למכשיר יש 64 שכבות של קווי מילים (WL) עם עמודים הממוקמים במערך מרווח משושה. קווי המילים נוצרים עם שכבות מתחלפות של מוליכים מתכתיים ודיאלקטרי תחמוצת. העמודים נחרטים דרך ה-WL ולאחר מכן מונחת שכבה דקה של חומר זיכרון על דפנות העמודים. חומר הזיכרון מוסר מהחלק התחתון והחלק העליון של העמודים, ומשאיר רק את החומר על דפנות העמוד. לאחר מכן ממלאים את העמודים במתכת עקשנית ובטונגסטן.

מתחת לשכבות המערך נמצאים מגעים ומתכת מחוברים למקור, ניקוז ושערים של טרנזיסטורי אפקט שדה סביב השער (GAA FET). ניקוז הטרנזיסטור מתחבר לעמוד מערך הזיכרון ומשתלב עם מעגל WL כדי לספק פונקציה לכל תא זיכרון.

תא הזיכרון מורכב משתי אלקטרודות מתכת: קו המילים של המוליך המתכתי ואלקטרודת מתכת עקשנית (איור 2). במהלך הדמיית תהליך וירטואלי של מכשיר זה, נשתמש במשתני תהליך כדי להגדיר ולאפס את הממריסטור. מתח המופעל בכוונה ייצור נתיבים מוליכים מיקרוסקופיים הנקראים חוטים מוליכים. כאשר מופעלים אותות חשמליים בעלי קוטביות שונות, היונים הטעונים בתוך הממריסטור נעים ליצור (להגדיר) או להתמוסס (לאפס) את החוט המוליך.

התנגדות החוטים המוליכים משתנה במתחי תוכנית שונים. מצב ההתנגדות הנמוכה הוא בטווח של 10k אוהם (סט) ומצב ההתנגדות הגבוהה הוא בטווח של 1M אוהם (איפוס). [5] פיתחנו מודל וירטואלי כדי להדגים את התנגדויות המיתוג של מכשיר 3D ReRAM, כאשר התוצאות מוצגות באיור 3. מצב ההתנגדות הגבוהה של הממריסטור הוא התנגדות גבוהה פי 100 בערך ממצב ההתנגדות הנמוכה.

לאחר מכן בוצע עיצוב וירטואלי של ניסויים (DOE) כדי להבין טוב יותר את המתאם בין יחס ההתנגדות של תא הזיכרון לבין הגודל והצורה של תא הזיכרון. המשתנים של הניסוי היו עמוד CD, עובי WL ועובי ממריסטור. ניתוח תוצאות ה-DOE מצביע על כך ש-CD עמוד ועובי הממריסטור הניעו את התגובה המשמעותית ביותר. איור 4 מציג קווי מתאר של יחס ההתנגדות של תאי הזיכרון לעומת שני המשתנים הללו. היה שינוי פי 3 בהתנגדות תאי הזיכרון עבור ערכים גבוהים של רדיוס עמוד ועובי ממריסטור. ההבדלים בצורת תא הזיכרון על פני הטווח הנחקר לא ישפיעו על היכולת לקרוא את מצבי הזיכרון של הממריסטור, אך עלולים להשפיע על היכולת להבחין במצבי תוכנית בהתקן רב-סיביות לתא.

ניתן לתכנת את הממריסטור באמצעות זרם < 0.10 uA ומתח < 0.5V. הגדרות מתח וזרם אלו יאפשרו לממריסטורים (זיכרון ReRAM) להשתלב בקלות כזיכרון על-שבב בהתקני לוגיקה מתקדמים. סימולציית מכשיר SEMulator3D הוכיחה בעבר שטרנזיסטור GAA FET תת-מערך אמור להיות מסוגל להניע את המתח והזרם הנדרשים על ידי מצבי ההגדרה והאיפוס של תא זיכרון ממריסטור. [6]

שתי בעיות עיקריות של התקני מעבד מודרניים הן צריכת אנרגיה וזמן עיכוב הנגרמים על ידי תנועת נתונים בין המעבד לזיכרון מחוץ לשבב. הגדלת גודל הזיכרון שבשבב עשויה לפתור בעיות אלה. במחקר זה, השתמשנו ב-SEMulator3D כדי לחקור את השילוב של חלופת SRAM (ReRAM) עבור CPU עבור זיכרון על-שבב. השתמשנו במודל וירטואלי כדי להבין טוב יותר את שלבי התהליך ובעיות פריסה אפשריות עבור תאי ממריסטור בודדים. ביצענו גם מחקרים כדי לבחון את מצבי ההגדרה והאיפוס של הממריסטור ואת ההשפעה של ממדי המכשיר (צורת וגודל תא הזיכרון) על התנגדות קו המילים. הדגשנו שניתן לשלב זיכרון מובנה של ReRAM עם לוגיקה מתקדמת, על ידי שימוש בפלט חשמלי של טרנזיסטור GAA pFET להגדרה ואיפוס של תאי הממריסטור. תוצאות אלו מאשרות שזיכרון גישה אקראית התנגדות (ReRAM) הוא חלופה מבטיחה לזיכרון SRAM מובנה עבור יישומי לוגיקה עתידיים ברוחב פס גבוה.

הפניות

1. לנזה, מריו (2014). "סקירה על מיתוג התנגדות בדיאלקטריות גבוהות: נקודת מבט ננומטרית באמצעות מיקרוסקופ כוח אטומי מוליך". חומרים, כרך. 7, גיליון 3, עמ' 2155-2182, דואי:10.3390/ma7032155.
2. N. Sedghi, et al, "התפקיד של סימום חנקן ב-ALD Ta2O5 והשפעתו על מיתוג תאים רב-שכבתי ב-RRAM", מרץ 2017, Applied Physics Letters, DOI:10.1063/1.4978033
3. Y. Bai, Et Al, "מחקר של מאפיינים רב-שכבתיים עבור זיכרון מיתוג אנכי תלת-ממדי" דוחות מדעיים כרך 3, מספר מאמר: 4 (5780)
4. Chen, YC, Sarkar, S., Gibbs, JG, Huang, Y., Lee, JC, Lin, CC, & Lin, CH (2022). "זיכרון התנגדות דו-פונקציונלי בצורת ננו סליל עבור יישום מערך צולבות בעוצמה נמוכה", ACS Applied Engineering Materials, 1(1), 252-257.
5. Y. Wu, et al, "Nanometer-Scale HfOx RRAM", IEEE Electron Device Letters, כרך: 34, גיליון: 8, אוגוסט 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 בנובמבר 2021, מדעי המחשב, doi:10.1007/s12633-022-01777-6.