مشین لرننگ، امیج پروسیسنگ اور دیگر اعلی درجے کی CPU ایپلی کیشنز کے لیے اگلی جنریشن آن چپ میموری کے طور پر ReRAM کو تیار کرنا

جدید CPU ڈیوائس آپریشن میں، 80% سے 90% توانائی کی کھپت اور وقت میں تاخیر CPU اور آف چپ میموری کے درمیان ڈیٹا کی نقل و حرکت کی وجہ سے ہوتی ہے۔ کارکردگی کی اس تشویش کو دور کرنے کے لیے، ڈیزائنرز اپنے CPUs میں اضافی آن چپ میموری شامل کر رہے ہیں۔ روایتی طور پر، SRAM سب سے زیادہ استعمال ہونے والی آن چپ CPU میموری کی قسم رہی ہے۔ بدقسمتی سے، SRAM فی الحال سینکڑوں میگا بائٹس کے سائز تک محدود ہے۔ یہ آن چپ میموری کی رکاوٹ لیڈنگ ایج ایپلی کیشنز کے لیے ناکافی ہو سکتی ہے۔

مستقبل کی سی پی یو ایپلی کیشنز، جیسے AI لینگویج ماڈل پروگرامنگ اور 8K UHD ویڈیو کے لیے امیج پروسیسنگ، کے لیے 10 ٹیرا بائٹس/سیکنڈ کی حد میں I/O میموری تک رسائی کی بینڈوتھ کی ضرورت ہوگی۔ بینڈوڈتھ کی ان ضروریات کو پورا کرنے کے لیے، آن چپ سی پی یو میموری کا سائز 1 ٹیرا بائٹ سے زیادہ ہونا چاہیے۔ مستقبل کی ان چپ میموری کی ضروریات کو پورا کرنے کے لیے ایک SRAM متبادل کی ضرورت ہو سکتی ہے۔ اس مسئلے کا ایک ممکنہ حل Resistive Random Access Memory (ReRAM) کا استعمال کرنا ہے۔ [1,2,3]

ReRAM ڈیوائس ایک غیر مستحکم میموری سیل ہے جس میں memristor مواد ہوتا ہے۔ یہ مواد ڈائی الیکٹرک انسولیٹر کے طور پر کام کرتے ہیں۔ جب کافی زیادہ وولٹیج لگائی جاتی ہے تو ترسیل کا راستہ بنتا ہے۔ یادداشت کے طور پر استعمال ہونے والے عام میموری مواد میں HfO شامل ہیں۔₂، ٹا₂O₅، اور TiO₂. [4] میموری سیل کی مزاحمتی حالت کو الیکٹرانک سرکٹس کا استعمال کرتے ہوئے پڑھا جا سکتا ہے تاکہ یہ معلوم کیا جا سکے کہ آیا میموری سیل پروگرام کیا گیا ہے یا مٹا دیا گیا ہے، اس طرح میموری بٹ کی حالت کی شناخت ہوتی ہے۔ ReRAM میموری سیلز کو 3D-NAND فن تعمیر کی طرح سٹوریج کی کثافت بڑھانے کے لیے عمودی طور پر اسٹیک کیا جا سکتا ہے۔

اس مضمون میں، SEMulator3D ورچوئل فیبریکیشن پروسیس پاتھ فائنڈنگ اور ممکنہ 3D ReRAM آرکیٹیکچرز کے تصور کے لیے استعمال کیا جائے گا۔ ہم ایک ReRAM ڈیوائس میں ایمبیڈڈ چینل ٹرانزسٹر کی Id-Vg کارکردگی کے ساتھ، میموری سیل کی شکل کے فنکشن کے طور پر سیل کی مزاحمت کا تخمینہ لگائیں گے۔

ایک 3D ReRAM ماڈل شکل 1 میں دکھایا گیا ہے۔ ڈیوائس میں ورڈ لائنز (WL) کی 64 پرتیں ہیں جن کے ستون ہیکساگونل فاصلہ والی صف میں رکھے گئے ہیں۔ ورڈ لائنز دھاتی کنڈکٹرز اور آکسائڈ ڈائی الیکٹرک کی متبادل تہوں کے ساتھ بنتی ہیں۔ ستونوں کو WL کے ذریعے کندہ کیا جاتا ہے اور پھر میموری میٹریل کی ایک پتلی تہہ ستونوں کی سائیڈ والز پر جمع کی جاتی ہے۔ یادداشت کے مواد کو ستونوں کے نیچے اور اوپر سے ہٹا دیا جاتا ہے، صرف ستون کے سائیڈ والز پر موجود مواد رہ جاتا ہے۔ اس کے بعد ستونوں کو ریفریکٹری دھات اور ٹنگسٹن سے بھر دیا جاتا ہے۔

سرنی کی تہوں کے نیچے روابط اور دھاتی ماخذ، نالی اور گیٹ آل راؤنڈ فیلڈ ایفیکٹ ٹرانزسٹرز (GAA FET) کے گیٹس سے جڑے ہوئے ہیں۔ ٹرانزسٹر ڈرین میموری سرنی ستون سے جڑتا ہے اور WL سرکٹ کے ساتھ مل کر ہر میموری سیل کو فنکشن فراہم کرتا ہے۔

میموری سیل دو دھاتی الیکٹروڈ پر مشتمل ہوتا ہے: دھاتی کنڈکٹر ورڈ لائن اور ایک ریفریکٹری میٹل الیکٹروڈ (شکل 2)۔ اس ڈیوائس کے ورچوئل پروسیس سمولیشن کے دوران، ہم میمریسٹر کو سیٹ اور ری سیٹ کرنے کے لیے پروسیس ویریبلز کا استعمال کریں گے۔ جان بوجھ کر لاگو کیا جانے والا وولٹیج خوردبینی ترسیلی راستے بنائے گا جسے conductive filaments کہتے ہیں۔ جب مختلف قطبین کے برقی سگنلز کا اطلاق ہوتا ہے تو، میمریسٹر کے اندر چارج شدہ آئن کنڈکٹیو فلیمینٹ کی تشکیل (سیٹ) یا تحلیل (دوبارہ سیٹ) کرنے کی طرف بڑھتے ہیں۔

مختلف پروگرام وولٹیجز پر conductive filament مزاحمت مختلف ہوتی ہے۔ کم مزاحمتی حالت 10k اوہم (سیٹ) کی حد میں ہے اور اعلی مزاحمتی حالت 1M اوہم (ری سیٹ) کی حد میں ہے۔ [5] ہم نے 3D ReRAM ڈیوائس کے سوئچنگ ریزسٹنس کو ظاہر کرنے کے لیے ایک ورچوئل ماڈل تیار کیا ہے، جس کے نتائج شکل 3 میں دکھائے گئے ہیں۔ میمریسٹر کی اعلیٰ مزاحمتی حالت کم مزاحمتی حالت سے تقریباً 100 گنا زیادہ مزاحمت ہے۔

اس کے بعد میموری سیل مزاحمتی تناسب اور میموری سیل کے سائز اور شکل کے درمیان ارتباط کو بہتر طور پر سمجھنے کے لیے ایک ورچوئل ڈیزائن آف ایکسپیریمنٹس (DOE) کو عمل میں لایا گیا۔ تجربے کے متغیرات ستون کی CD، WL موٹائی اور memristor کی موٹائی تھے۔ DOE کے نتائج کا تجزیہ بتاتا ہے کہ ستون کی CD اور memristor کی موٹائی نے سب سے اہم ردعمل دیا۔ شکل 4 ان دو متغیرات کے مقابلے میں میموری سیل مزاحمتی تناسب کا ایک سموچ پلاٹ دکھاتا ہے۔ ستون کے رداس اور یادداشت کی موٹائی کی اعلی اقدار کے لیے میموری سیل مزاحمت میں 3X تبدیلی آئی۔ مطالعہ شدہ رینج میں میموری سیل کی شکل میں فرق میمریسٹر کی میموری کی حالتوں کو پڑھنے کی صلاحیت کو متاثر نہیں کرے گا لیکن ایک ملٹی بٹ فی سیل ڈیوائس میں پروگرام کی حالتوں کو سمجھنے کی صلاحیت کو متاثر کر سکتا ہے۔

میمریسٹر کو کرنٹ <0.10 uA اور وولٹیج <0.5V کا استعمال کرتے ہوئے پروگرام کیا جا سکتا ہے۔ یہ وولٹیج اور موجودہ سیٹنگز میمریسٹرز (ReRAM میموری) کو جدید منطقی آلات میں آن چپ میموری کے طور پر آسانی سے ضم کرنے کی اجازت دیں گی۔ SEMulator3D ڈیوائس سمولیشن نے پہلے یہ ظاہر کیا ہے کہ GAA FET انڈر اری ٹرانجسٹر کو میمریسٹر میموری سیل کے سیٹ اور ری سیٹ سٹیٹس کے لیے درکار وولٹیج اور کرنٹ چلانے کے قابل ہونا چاہیے۔ [6]

جدید CPU آلات کے دو بڑے مسائل توانائی کی کھپت اور CPU اور آف چپ میموری کے درمیان ڈیٹا کی نقل و حرکت کی وجہ سے ہونے والے وقت میں تاخیر ہیں۔ آن چپ میموری کے سائز میں اضافہ ان مسائل کو حل کر سکتا ہے۔ اس مطالعہ میں، ہم نے آن چپ میموری کے لیے CPU کے لیے SRAM متبادل (ReRAM) کے انضمام کی تحقیقات کے لیے SEMulator3D کا استعمال کیا ہے۔ ہم نے ایک ورچوئل ماڈل استعمال کیا تاکہ عمل کے مراحل اور انفرادی یادداشت کے خلیات کے لیے ممکنہ ترتیب کے مسائل کو بہتر طور پر سمجھا جا سکے۔ ہم نے میمریسٹر کی سیٹ اور ری سیٹ کی حالتوں اور ورڈ لائن ریزسٹنس پر ڈیوائس کے طول و عرض (میموری سیل کی شکل اور سائز) کے اثر کو جانچنے کے لیے مطالعات کو بھی انجام دیا۔ ہم نے اس بات پر روشنی ڈالی کہ ReRAM آن بورڈ میموری کو جدید منطق کے ساتھ مربوط کیا جا سکتا ہے، GAA pFET ٹرانزسٹر الیکٹریکل آؤٹ پٹ کا استعمال کرتے ہوئے memristor خلیات کو سیٹ اور ری سیٹ کرنے کے لیے۔ یہ نتائج اس بات کی تصدیق کرتے ہیں کہ Resistive Random Access Memory (ReRAM) مستقبل کی ہائی بینڈوڈتھ لاجک ایپلی کیشنز کے لیے آن بورڈ SRAM میموری کا ایک امید افزا متبادل ہے۔

حوالہ جات

1. لانزا، ماریو (2014)۔ "ہائی-کے ڈائی الیکٹرکس میں مزاحمتی سوئچنگ پر ایک جائزہ: کنڈکٹیو اٹامک فورس مائکروسکوپ کا استعمال کرتے ہوئے ایک نانوسکل پوائنٹ آف ویو"۔ مواد، جلد. 7، شمارہ 3، صفحہ 2155-2182، doi:10.3390/ma7032155۔
2. N. Sedghi، et al، "ALD Ta2O5 میں نائٹروجن ڈوپنگ کا کردار اور RRAM میں ملٹی لیول سیل سوئچنگ پر اس کا اثر"، مارچ 2017، اپلائیڈ فزکس لیٹرز، DOI:10.1063/1.4978033
3. Y. Bai, Et Al, "3D عمودی مزاحمتی سوئچنگ میموری کے لیے کثیر سطحی خصوصیات کا مطالعہ" سائنسی رپورٹس والیوم 4، آرٹیکل نمبر: 5780 (2014)
4. Chen, YC, Sarkar, S., Gibbs, JG, Huang, Y., Lee, JC, Lin, CC, & Lin, CH (2022)۔ "نینو ہیلیکل شیپڈ ڈوئل فنکشنل ریسسٹیو میموری فار لو-پاور کراس بار اری ایپلیکیشن۔"، ACS اپلائیڈ انجینئرنگ میٹریلز، 1(1)، 252-257۔
5. Y. Wu, et al, "Nanometer-scale HfOx RRAM", IEEE Electron Device Letters, Volume: 34, Issue: 8, August 2013), doi:10.1109/LED.2013.2265404
6. V. Sreenivasulu، et al، "کم پاور اور ہائی سوئچنگ کی طرف GAA Nanowire FET کا سرکٹ تجزیہ اور اصلاح"، 11 نومبر 2021، کمپیوٹر سائنس، doi:10.1007/s12633-022-01777-6۔