Makine Öğrenimi, Görüntü İşleme ve Diğer Gelişmiş CPU Uygulamaları için Yeni Nesil Çip Üzerinde Bellek Olarak ReRAM'in Geliştirilmesi

Modern CPU cihazının çalışmasında, enerji tüketiminin ve zamanlama gecikmelerinin %80 ila %90'ı CPU ile çip dışı bellek arasındaki veri hareketinden kaynaklanmaktadır. Bu performans kaygısını hafifletmek için tasarımcılar CPU'larına ek çip üstü bellek ekliyorlar. Geleneksel olarak SRAM, en yaygın kullanılan çip üzerinde CPU bellek türü olmuştur. Ne yazık ki, SRAM şu anda yüzlerce megabayt boyutuyla sınırlıdır. Bu çip üzerindeki bellek kısıtlaması, öncü uygulamalar için yetersiz olabilir.

8K UHD video için AI Dil Modeli programlama ve görüntü işleme gibi gelecekteki CPU uygulamaları, 10 terabayt/sn aralığında G/Ç bellek erişim bant genişliği gerektirecektir. Bu bant genişliği gereksinimlerini karşılamak için çip üzerindeki CPU belleğinin boyutunun 1 terabayttan büyük olması gerekecektir. Gelecekteki çip üstü bellek gereksinimlerini karşılamak için bir SRAM alternatifine ihtiyaç duyulabilir. Bu soruna olası bir çözüm, Dirençli Rastgele Erişim Belleği (ReRAM) kullanmak olacaktır. [1,2,3]

ReRAM cihazı, memristör materyalleri içeren, kalıcı bir hafıza hücresidir. Bu malzemeler dielektrik yalıtkan görevi görür. Yeterince yüksek bir voltaj uygulandığında bir iletim yolu oluşturulur. Memristör olarak kullanılan tipik bellek malzemeleri arasında HfO bulunur₂, Ta₂O₅ve TiO₂. [4] Bellek hücresinin dirençli durumu, bellek hücresinin programlanıp programlanmadığını veya silinip silinmediğini belirlemek için elektronik devreler kullanılarak okunabilir, böylece bellek bitinin durumu belirlenebilir. ReRAM bellek hücreleri, depolama yoğunluğunu artırmak için 3D-NAND mimarisi gibi dikey olarak istiflenebilir.

Bu makalede, SEMulator3D Sanal Fabrikasyon Potansiyel 3D ReRAM mimarilerinin süreç yolunu bulmak ve görselleştirmek için kullanılacaktır. Hücre direncini, bir ReRAM cihazındaki gömülü kanal transistörünün Id-Vg performansının yanı sıra bellek hücresi şeklinin bir fonksiyonu olarak tahmin edeceğiz.

Şekil 3'de bir 1D ReRAM modeli gösterilmektedir. Cihaz, altıgen aralıklı bir diziye yerleştirilmiş sütunlarla birlikte 64 kelime satırı (WL) katmanına sahiptir. Kelime satırları, alternatif metalik iletken katmanları ve oksit dielektrik ile oluşturulmuştur. Sütunlar WL boyunca kazınıyor ve ardından sütunların yan duvarlarına ince bir hafıza malzemesi tabakası biriktiriliyor. Bellek malzemesi sütunların alt ve üst kısmından çıkarılarak yalnızca sütunun yan duvarlarında malzeme bırakılır. Sütunlar daha sonra refrakter metal ve tungsten ile doldurulur.

Dizi katmanlarının altında, her yönüyle kapı alan etkili transistörlerin (GAA FET) kaynağına, drenajına ve kapılarına giden kontaklar ve metal ara bağlantıları bulunur. Transistör tahliyesi, bellek dizisi sütununa bağlanır ve her bellek hücresine işlev sağlamak için WL devresiyle birleşir.

Bellek hücresi iki metal elektrottan oluşur: metalik iletken kelime satırı ve refrakter metal elektrot (şekil 2). Bu cihazın sanal süreç simülasyonu sırasında memristörü ayarlamak ve sıfırlamak için süreç değişkenlerini kullanacağız. Kasıtlı olarak uygulanan bir voltaj, iletken filamentler adı verilen mikroskobik iletken yollar yaratacaktır. Farklı polaritelerdeki elektrik sinyalleri uygulandığında, memristörün içindeki yüklü iyonlar iletken filamanı oluşturmak (ayarlamak) veya çözmek (sıfırlamak) için hareket eder.

İletken filaman direnci farklı program voltajlarında değişir. Düşük direnç durumu 10k ohm (set) aralığında ve yüksek direnç durumu 1M ohm (reset) aralığındadır. [5] Bir 3D ReRAM cihazının anahtarlama dirençlerini göstermek için, sonuçları şekil 3'te gösterilen sanal bir model geliştirdik. Memristörün yüksek dirençli durumu, düşük dirençli durumdan yaklaşık 100 kat daha yüksek dirençtir.

Daha sonra, bellek hücresi direnç oranı ile bellek hücresinin boyutu ve şekli arasındaki korelasyonu daha iyi anlamak için sanal bir Deney Tasarımı (DOE) yürütüldü. Deneyin değişkenleri sütun CD'si, WL kalınlığı ve memristör kalınlığıydı. DOE sonuçlarının analizi, sütun CD'sinin ve memristörün kalınlığının en önemli tepkiyi sağladığını göstermektedir. Şekil 4, bu iki değişkene karşı bellek hücresi direnç oranının kontur grafiğini göstermektedir. Yüksek sütun yarıçapı ve memristör kalınlığı değerleri için bellek hücresi direncinde 3 katlık bir değişiklik oldu. İncelenen aralık boyunca bellek hücresinin şeklindeki farklılıklar, memristörün bellek durumlarını okuma yeteneğini etkilemeyecektir ancak hücre cihazı başına çok bitli program durumlarını ayırt etme yeteneğini etkileyebilir.

Memristör, < 0.10 uA akım ve < 0.5 V voltaj kullanılarak programlanabilir. Bu voltaj ve akım ayarları, memristörlerin (ReRAM belleği) çip üstü bellek olarak gelişmiş mantık aygıtlarına kolayca entegre edilmesine olanak tanıyacaktır. SEMulator3D cihaz simülasyonu daha önce bir GAA FET dizi altı transistörün, memristör bellek hücresinin ayar ve sıfırlama durumları tarafından gereken voltajı ve akımı sürdürebilmesi gerektiğini göstermişti. [6]

Modern CPU cihazlarının iki büyük sorunu, CPU ile çip dışı bellek arasındaki veri hareketinin neden olduğu enerji tüketimi ve gecikme süresidir. Çip üzerindeki belleğin boyutunu artırmak bu sorunları çözebilir. Bu çalışmada, çip üzerinde bellek için CPU'ya yönelik bir SRAM alternatifinin (ReRAM) entegrasyonunu araştırmak için SEMulator3D'yi kullandık. Bireysel memristör hücrelerine yönelik proses adımlarını ve olası yerleşim sorunlarını daha iyi anlamak için sanal bir model kullandık. Ayrıca memristörün ayar ve sıfırlama durumlarını ve cihaz boyutlarının (bellek hücresi şekli ve boyutu) wordline direncine etkisini incelemek için çalışmalar yürüttük. ReRAM yerleşik belleğinin, memristör hücrelerini ayarlamak ve sıfırlamak için bir GAA pFET transistör elektrik çıkışı kullanılarak gelişmiş mantıkla entegre edilebileceğini vurguladık. Bu sonuçlar, Dirençli Rastgele Erişim Belleğinin (ReRAM), gelecekteki yüksek bant genişlikli mantık uygulamaları için yerleşik SRAM belleğe umut verici bir alternatif olduğunu doğrulamaktadır.

Referanslar

1. Lanza, Mario (2014). “Yüksek-k Dielektriklerde Dirençli Anahtarlama Üzerine Bir İnceleme: İletken Atomik Kuvvet Mikroskobu Kullanılarak Nano Ölçekli Bir Bakış Açısı”. Malzemeler, cilt. 7, sayı 3, s. 2155-2182, doi:10.3390/ma7032155.
2. N. Sedghi, ve diğerleri, "ALD Ta2O5'te nitrojen katkılamanın rolü ve RRAM'de çok seviyeli hücre değişimi üzerindeki etkisi", Mart 2017, Applied Physics Letters, DOI:10.1063/1.4978033
3. Y. Bai, Et Al, “3D Dikey Dirençli Anahtarlama Belleği için Çok Seviyeli Karakteristiklerin İncelenmesi” Bilimsel Raporlar cilt 4, Makale numarası: 5780 (2014)
4. Chen, YC, Sarkar, S., Gibbs, JG, Huang, Y., Lee, JC, Lin, CC ve Lin, CH (2022). “Düşük Güçlü Çapraz Çubuk Dizisi Uygulaması için Nano Helisel Şekilli Çift Fonksiyonlu Dirençli Bellek.”, ACS Uygulamalı Mühendislik Malzemeleri, 1(1), 252-257.
5. Y. Wu, ve diğerleri, “Nanometre Ölçekli HfOx RRAM”, IEEE Electron Device Letters, Cilt: 34, Sayı: 8, Ağustos 2013), doi:10.1109/LED.2013.2265404
6. V. Sreenivasulu ve diğerleri, "GAA Nanotel FET'in Düşük Güç ve Yüksek Anahtarlamaya Doğru Devre Analizi ve Optimizasyonu", 11 Kasım 2021, Bilgisayar Bilimi, doi:10.1007/s12633-022-01777-6.