Desenvolvendo ReRAM como memória on-chip de próxima geração para aprendizado de máquina, processamento de imagens e outras aplicações avançadas de CPU

Na operação moderna de dispositivos de CPU, 80% a 90% do consumo de energia e atrasos de tempo são causados ​​pela movimentação de dados entre a CPU e a memória fora do chip. Para aliviar essa preocupação com o desempenho, os projetistas estão adicionando memória adicional no chip às suas CPUs. Tradicionalmente, a SRAM tem sido o tipo de memória de CPU on-chip mais amplamente utilizado. Infelizmente, a SRAM está atualmente limitada a centenas de megabytes. Esta restrição de memória no chip pode ser insuficiente para aplicações de ponta.

As futuras aplicações de CPU, como a programação do AI Language Model e o processamento de imagens para vídeo 8K UHD, exigirão largura de banda de acesso à memória de E/S na faixa de 10 terabytes/s. Para atender a esses requisitos de largura de banda, a memória da CPU no chip precisará ter mais de 1 terabyte de tamanho. Uma alternativa de SRAM pode ser necessária para atender a esses futuros requisitos de memória no chip. Uma possível solução para este problema seria usar memória de acesso aleatório resistiva (ReRAM). [1,2,3]

Um dispositivo ReRAM é uma célula de memória não volátil que contém materiais memristores. Esses materiais atuam como isolantes dielétricos. Quando uma tensão suficientemente alta é aplicada, um caminho de condução é formado. Materiais de memória típicos usados ​​como memristores incluem HfO₂, Tá₂O₅e TiO₂. [4] O estado resistivo da célula de memória pode ser lido por meio de circuitos eletrônicos para determinar se a célula de memória está programada ou apagada, identificando assim o estado do bit de memória. As células de memória ReRAM podem ser empilhadas verticalmente, como a arquitetura 3D-NAND, para aumentar a densidade de armazenamento.

Neste artigo, SEMulator3D Fabricação Virtual será usado para localização de processos e visualização de possíveis arquiteturas 3D ReRAM. Estimaremos a resistência da célula em função do formato da célula de memória, juntamente com o desempenho Id-Vg do transistor de canal incorporado em um dispositivo ReRAM.

Um modelo 3D ReRAM é mostrado na figura 1. O dispositivo possui 64 camadas de wordlines (WL) com pilares colocados em uma matriz hexagonal espaçada. As wordlines são formadas com camadas alternadas de condutores metálicos e dielétricos de óxido. Os pilares são gravados através do WL e, em seguida, uma fina camada de material de memória é depositada nas paredes laterais dos pilares. O material de memória é retirado da parte inferior e superior dos pilares, deixando apenas o material nas paredes laterais do pilar. Os pilares são então preenchidos com metal refratário e tungstênio.

Sob as camadas da matriz estão os contatos e o metal interconectado à fonte, dreno e portas dos transistores de efeito de campo gate-all-around (GAA FET). O dreno do transistor se conecta ao pilar do conjunto de memória e se combina com o circuito WL para fornecer função a cada célula de memória.

A célula de memória consiste em dois eletrodos metálicos: o condutor metálico wordline e um eletrodo metálico refratário (figura 2). Durante a simulação virtual do processo deste dispositivo, usaremos variáveis ​​de processo para definir e redefinir o memristor. Uma tensão aplicada deliberadamente criará caminhos condutores microscópicos chamados filamentos condutores. Quando sinais elétricos de polaridades diferentes são aplicados, os íons carregados dentro do memristor se movem para formar (definir) ou dissolver (redefinir) o filamento condutor.

A resistência do filamento condutor varia em diferentes tensões do programa. O estado de baixa resistência está na faixa de 10k ohm (definido) e o estado de alta resistência está na faixa de 1M ohm (redefinido). [5] Desenvolvemos um modelo virtual para demonstrar as resistências de comutação de um dispositivo ReRAM 3D, com resultados exibidos na figura 3. O estado de alta resistividade do memristor é aproximadamente 100 vezes maior que a resistência do estado de baixa resistividade.

Um Projeto de Experimentos virtual (DOE) foi então executado para entender melhor a correlação entre a taxa de resistência da célula de memória e o tamanho e formato da célula de memória. As variáveis ​​do experimento foram pilar CD, espessura WL e espessura do memristor. A análise dos resultados do DOE indica que o pilar CD e a espessura do memristor geraram a resposta mais significativa. A Figura 4 exibe um gráfico de contorno da relação de resistência das células de memória versus essas duas variáveis. Houve uma alteração de 3X na resistência da célula de memória para valores elevados de raio do pilar e espessura do memristor. As diferenças no formato da célula de memória em toda a faixa estudada não afetarão a capacidade de ler os estados de memória do memristor, mas podem afetar a capacidade de discernir os estados do programa em um dispositivo multibit por célula.

O memristor pode ser programado usando uma corrente <0.10 uA e uma tensão <0.5V. Essas configurações de tensão e corrente permitirão que os memristores (memória ReRAM) se integrem facilmente como memória on-chip em dispositivos lógicos avançados. A simulação do dispositivo SEMulator3D demonstrou anteriormente que um transistor de submatriz GAA FET deve ser capaz de acionar a tensão e a corrente exigidas pelos estados de configuração e redefinição de uma célula de memória de memristor. [6]

Dois problemas principais dos dispositivos de CPU modernos são o consumo de energia e o tempo de atraso causado pela movimentação de dados entre a CPU e a memória fora do chip. Aumentar o tamanho da memória on-chip pode resolver esses problemas. Neste estudo, utilizamos SEMulator3D para investigar a integração de uma alternativa SRAM (ReRAM) para CPU para memória on-chip. Usamos um modelo virtual para entender melhor as etapas do processo e possíveis problemas de layout para células de memristor individuais. Também realizamos estudos para examinar os estados de configuração e redefinição do memristor e o efeito das dimensões do dispositivo (formato e tamanho da célula de memória) na resistência da linha de palavras. Destacamos que a memória interna ReRAM pode ser integrada com lógica avançada, usando uma saída elétrica de transistor GAA pFET para configurar e redefinir as células do memristor. Estes resultados confirmam que a memória de acesso aleatório resistiva (ReRAM) é uma alternativa promissora à memória SRAM integrada para futuras aplicações lógicas de alta largura de banda.

Referências

1. Lanza, Mário (2014). “Uma revisão sobre comutação resistiva em dielétricos de alto k: um ponto de vista em nanoescala usando microscópio de força atômica condutiva”. Materiais, vol. 7, edição 3, pp. 2155-2182, doi:10.3390/ma7032155.
2. N. Sedghi, et al, “O papel do doping com nitrogênio em ALD Ta2O5 e sua influência na troca de células multiníveis em RRAM”, março de 2017, Applied Physics Letters, DOI:10.1063/1.4978033
3. Y. Bai, Et Al, “Estudo de características multiníveis para memória de comutação resistiva vertical 3D” Relatórios científicos volume 4, número do artigo: 5780 (2014)
4. Chen, YC, Sarkar, S., Gibbs, JG, Huang, Y., Lee, JC, Lin, CC, & Lin, CH (2022). “Memória resistiva dupla funcional em formato nano helicoidal para aplicação de matriz de barra transversal de baixa potência.”, ACS Applied Engineering Materials, 1(1), 252-257.
5. Y. Wu, et al, “Nanometer-Scale HfOx RRAM”, IEEE Electron Device Letters, Volume: 34, Edição: 8, agosto de 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 de novembro de 2021, Ciência da Computação, doi:10.1007/s12633-022-01777-6.