Разработка ReRAM как встроенной памяти следующего поколения для машинного обучения, обработки изображений и других передовых приложений ЦП

При работе современных процессорных устройств от 80% до 90% энергопотребления и временных задержек вызвано перемещением данных между процессором и внешней памятью. Чтобы решить эту проблему с производительностью, разработчики добавляют в свои процессоры дополнительную встроенную память. Традиционно SRAM является наиболее широко используемым типом встроенной памяти ЦП. К сожалению, размер SRAM в настоящее время ограничен сотнями мегабайт. Это ограничение встроенной памяти может оказаться недостаточным для передовых приложений.

Будущие приложения ЦП, такие как программирование языковой модели искусственного интеллекта и обработка изображений для видео 8K UHD, потребуют пропускной способности доступа к памяти ввода-вывода в диапазоне 10 терабайт/сек. Чтобы удовлетворить этим требованиям к пропускной способности, объем встроенной памяти ЦП должен быть больше 1 терабайта. Для удовлетворения будущих требований к встроенной памяти может потребоваться альтернатива SRAM. Одним из возможных решений этой проблемы было бы использование резистивной оперативной памяти (ReRAM). [1,2,3]

Устройство ReRAM представляет собой энергонезависимую ячейку памяти, содержащую мемристорные материалы. Эти материалы действуют как диэлектрический изолятор. При приложении достаточно высокого напряжения образуется путь проводимости. Типичные материалы памяти, используемые в качестве мемристоров, включают HfO.₂, Та₂O₅и TiO₂. [4] Резистивное состояние ячейки памяти можно считывать с помощью электронных схем, чтобы определить, запрограммирована или стерта ячейка памяти, таким образом определяя состояние бита памяти. Ячейки памяти ReRAM можно располагать вертикально, как в архитектуре 3D-NAND, для увеличения плотности хранения.

В этой статье, SEMulator3D Виртуальное изготовление будет использоваться для поиска путей процесса и визуализации потенциальных архитектур 3D ReRAM. Мы оценим сопротивление ячейки как функцию формы ячейки памяти, а также производительность Id-Vg встроенного канального транзистора в устройстве ReRAM.

Модель 3D ReRAM показана на рисунке 1. Устройство имеет 64 слоя словесных линий (WL) со столбцами, расположенными в шестиугольном массиве. Сложные линии образованы чередующимися слоями металлических проводников и оксидного диэлектрика. Стойки протравливаются через WL, а затем на боковые стенки стоек наносится тонкий слой материала с эффектом памяти. Материал памяти удаляется снизу и сверху стоек, оставляя только материал на боковых стенках стойки. Затем столбы заполняются тугоплавким металлом и вольфрамом.

Под слоями массива расположены контакты и металлические соединения с истоком, стоком и затворами полевых транзисторов с полным затвором (GAA FET). Сток транзистора соединяется с опорой массива памяти и объединяется со схемой WL, обеспечивая функционирование каждой ячейки памяти.

Ячейка памяти состоит из двух металлических электродов: металлического проводящего провода и тугоплавкого металлического электрода (рисунок 2). Во время виртуального моделирования процесса этого устройства мы будем использовать переменные процесса для установки и сброса мемристора. Намеренно приложенное напряжение создаст микроскопические проводящие пути, называемые проводящими нитями. Когда подаются электрические сигналы различной полярности, заряженные ионы внутри мемристора перемещаются, образуя (устанавливая) или растворяя (сбрасывая) проводящую нить.

Сопротивление проводящей нити варьируется при различных программных напряжениях. Состояние низкого сопротивления находится в диапазоне 10 кОм (установка), а состояние высокого сопротивления находится в диапазоне 1 МОм (сброс). [5] Мы разработали виртуальную модель для демонстрации сопротивления переключения устройства 3D ReRAM, результаты показаны на рисунке 3. Сопротивление мемристора в высокоомном состоянии примерно в 100 раз выше, чем в низкоомном состоянии.

Затем был выполнен виртуальный план экспериментов (DOE), чтобы лучше понять корреляцию между коэффициентом сопротивления ячейки памяти и размером и формой ячейки памяти. Переменными эксперимента были CD столбика, толщина WL и толщина мемристора. Анализ результатов DOE показывает, что CD столба и толщина мемристора вызвали наиболее значительную реакцию. На рисунке 4 показан контурный график зависимости сопротивления ячеек памяти от этих двух переменных. При больших значениях радиуса столбика и толщины мемристора сопротивление ячеек памяти изменялось в 3 раза. Различия в форме ячеек памяти в изучаемом диапазоне не повлияют на способность читать состояния памяти мемристора, но могут повлиять на способность различать состояния программы в многобитном устройстве на ячейку.

Мемристор можно запрограммировать, используя ток < 0.10 мкА и напряжение < 0.5 В. Эти настройки напряжения и тока позволят мемристорам (памяти ReRAM) легко интегрироваться в качестве встроенной памяти в современные логические устройства. Моделирование устройства SEMulator3D ранее продемонстрировало, что транзистор GAA FET под массивом должен быть способен управлять напряжением и током, необходимыми для состояний установки и сброса ячейки мемристорной памяти. [6]

Двумя основными проблемами современных процессорных устройств являются энергопотребление и время задержки, вызванные перемещением данных между процессором и внешней памятью. Увеличение размера встроенной памяти может решить эти проблемы. В этом исследовании мы использовали SEMulator3D для изучения интеграции альтернативы SRAM (ReRAM) для ЦП во встроенную память. Мы использовали виртуальную модель, чтобы лучше понять этапы процесса и потенциальные проблемы компоновки отдельных ячеек мемристора. Мы также провели исследования для изучения состояний установки и сброса мемристора, а также влияния размеров устройства (формы и размера ячейки памяти) на сопротивление словной линии. Мы подчеркнули, что встроенная память ReRAM может быть интегрирована с усовершенствованной логикой, используя электрический выход pFET-транзистора GAA для установки и сброса ячеек мемристора. Эти результаты подтверждают, что резистивная оперативная память (ReRAM) является многообещающей альтернативой встроенной памяти SRAM для будущих логических приложений с высокой пропускной способностью.

Рекомендации

1. Ланца, Марио (2014). «Обзор резистивного переключения в диэлектриках High-k: наномасштабная точка зрения с использованием проводящего атомно-силового микроскопа». Материалы, вып. 7, выпуск 3, стр. 2155-2182, doi:10.3390/ma7032155.
2. Н. Седги и др., «Роль легирования азотом в ALD Ta2O5 и его влияние на многоуровневое переключение ячеек в RRAM», март 2017 г., Applied Physics Letters, DOI: 10.1063/1.4978033
3. Ю. Бай и др., «Исследование многоуровневых характеристик трехмерной памяти с вертикальным резистивным переключением», научные отчеты, том 3, номер статьи: 4 (5780 г.)
4. Чен, Ю.К., Саркар, С., Гиббс, Дж.Г., Хуанг, Ю., Ли, Дж.К., Лин, К.С. и Линь, Ч.С. (2022). «Двухфункциональная резистивная память нано-спиральной формы для применения в области маломощных перекрестных матриц», ACS Applied Engineering Materials, 1(1), 252-257.
5. Ю. Ву и др., «HfOx RRAM нанометрового масштаба», IEEE Electron Device Letters, том: 34, выпуск: 8, август 2013 г.), doi:10.1109/LED.2013.2265404
6. В. Сринивасулу и др., «Анализ схем и оптимизация полевого транзистора на основе GAA-нанопроволоки в целях обеспечения малой мощности и высокого уровня переключения», 11 ноября 2021 г., Computer Science, doi:10.1007/s12633-022-01777-6.