Ako dnes prebieha vývoj nových typov polovodičových pamätí? Čím sa odlišujú a prečo je nevyhnutné, že jedného dňa príde ich čas a pošlú súčasné riešenia do histórie?
Každá technológia konštrukcie polovodičov jedného dňa dospeje k svojmu koncu. Inak tomu nie je ani u pamäťových technológií DRAM a NAND flash, ktoré sú kontinuálne vyvíjané už mnoho dekád a v rámci svojich odvetví celkom dominujú.
DRAM konštrukciu používame ako operačnú pamäť v rámci počítačov všetkých kategórií, od smartfónov a notebookov, cez desktopy až po smarthodinky. NAND flash naopak používame ako dlhodobé dátové úložisko a jeho čipy nájdeme nielen v mobilnej elektronike, ale aj v rámci notebookov aj desktopov vo forme SSD „disku“.
Dizajnovanie DRAM čipu v laboratóriu formy Micron /Foto: Micron/
V tomto článku si vysvetlíme, ako súmrak týchto technológií môže vyzerať a pozrieme sa na to, ako a prečo alternatívne konštrukcie pamätí môžu prebrať štafetu. Podľa aktuálneho stavu diania sa v súčasnosti javí, že najpravdepodobnejším nástupcom NAND flash je konštrukcia v podobe ReRAM, teda Rezistívnej RAM, pričom okno na výmenu sa otvára už zhruba v polovici tejto dekády (k dôvodom sa pravdaže ešte dostaneme). Samozrejme to nie je striktne dané a konzervatívnejší odhad nás posúva až na časové obdobie o celú jednu dekádu neskôr.
Najpravdepodobnejším kandidátom na náhradu DRAM je MRAM, teda magnetická RAM, resInšpepektíve jej variácia STT-MRAM. Súčasné analýzy sa prikláňajú k tomu, že táto náhrada sa stane nevyhnutnou koncom tejto dekády, takže v konečnom dôsledku môže tento prerod trhu nastať ešte skôr, než ReRAM preberie žezlo od NAND flash. Nech už to bude akokoľvek, v oboch prípadoch je pomerne zaujímavým faktom, že v momente ako daná potreba nastane, samotná výmena prebehne pomerne rýchlo, a to pravdepodobne v rozsahu dvoch či troch rokov.
AKO PREBIEHA TECHNOLOGICKÝ PROGRES VO VÝVOJI POLOVODIČOV A PREČO SA NEZASTAVÍ?
Najzákladnejším motorom pokroku v polovodičovom odvetví je zmenšovanie tranzistorov. Vykonávame ho v rámci vývoja nových generácií výrobných procesov, pričom v prípade konštrukcie logických obvodov (napríklad v CPU či GPU) sa stále menšie tranzistory podieľajú na tom, že logika môže byť čoraz komplexnejšia, robustnejšia a z hľadiska spínania rýchlejšia. V prípade pamätí sa toto zmenšovanie tranzistorov prevteľuje zas do stále väčšej kapacity, ktorú čip môže mať.
V počiatkoch polovodičového trhu sa tranzistory logiky a pamätí vyrábali prakticky na totožnom výrobnom procese. S postupným vývojom komplexnosti sa však ich cesty v polovici 80. rokov minulého storočia rozdelili a vývoj jednotlivých generácií výrobných procesov (tzv. nodov) už pokračoval pre každú technológiu samostatne a nezávisle. Výrobné procesy pre pamäte sú teda odlišné od výrobných procesov pre CPU/GPU a nemožno ich zamieňať.
Nod, teda vývojársky krok v rámci nového výrobného procesu, sa udeje zhruba každé 2 – 3 roky, pričom jeho základným cieľom je nájsť spôsob, ako konštrukčné prvky tranzistorov vyrábať o 30 % menšie. To otvorí priestor pre zdvojnásobenie ich počtu na rovnakej ploche. Ak máte problém uvedomiť si, prečo je to tak, stačí si predstaviť šachovnicu, ktorá má 10 riadkov a 10 stĺpcov, teda 100 polí. Ak z šachovnice ukrojíte z oboch strán o 30 %, teda o 3 polia, zostane vám 7 riadkov a 7 stĺpcov. Teda dohromady 49 polí. Vo výsledku ste tak 50 % pôvodného plošného objemu získali na iné účely.
Z percenta tohto zmenšenia sa odvíjajú aj čísla názvov výrobných procesov. Keď sme konštrukcie vyrobené 14 nm výrobným procesom dokázali zmenšiť ako celok o 30 %, nazvali sme tento výrobný proces ako 10 nm (pretože 14 × 0,7 = 9,8) a pri ďalšom zmenšení o 30 % zas 7 nm (10 × 0,7 = 7). Z tohto vidíte, že ďalším názvom bude 5 nm. Ak by vás podrobnejšie zaujímalo, odkiaľ sa tieto čísla pôvodne vzali, aké rozmery vyjadrujú a ako budú pokračovať pod 1 nm, prečítajte si náš podrobný nedeľný článok „Ako sa meria 1 nanometrový tranzistor a čo bude menšie“.
Inšpekcia čipov na waferi /Foto: sspopov/
Na tomto mieste si je potrebné len uvedomiť, že pre výrobcov je napredovanie smerom k čoraz lepšiemu výrobnému procesu prakticky nevyhnutné, a to aj v prípade, že nový výrobný proces je drahší, ako ten predošlý. Predstavte si, že ste výrobca používajúci 20 nm výrobný proces, ktorý vám umožní na jednom 30 cm waferi vyrobiť napríklad 375 pamäťových čipov s kapacitou 4 Gbity. Ak váš konkurent prechádza na nižší, 14 nm výrobný proces, musíte ho nasledovať, pretože by vás zakrátko ekonomicky prevalcoval.
Ak vás totiž výroba waferu s 375 čipmi stojí napríklad 3000 dolárov, čo sa prevtelí do nákladov 8 dolárov na jeden 4 Gbit čip, tak konkurent si bude môcť dovoliť na rovnakom waferi vyrábať 375 čipov s dvojnásobnou kapacitou, alebo 750 čipov s rovnakou kapacitou. Inak povedané, bude môcť predávať rovnaký produkt ako vy za polovičnú cenu, alebo za vašu cenu dvojnásobne lepší. Je jasné, čomu dajú zákazníci prednosť.
Zakrátko tak skončíte bankrotom, pretože očividne nemôžete svoje čipy predávať lacnejšie, než za čo ich vyrobíte. Aj keby bol pritom pokročilejší výrobný proces o 20 či 30 % drahší a výroba waferu so 14 nm výrobným procesom by stála namiesto 3000 dolárov už 4000 dolárov, stále by bol rozdiel masívny, pretože 4 Gbit čip by mal výrobné náklady 5 dolárov, namiesto pôvodných 8.
To je dôvod, prečo sa výrobcovia polovodičov ženú za stále menším výrobným procesom a nikto si nemôže dlhodobo dovoliť v tejto súťaži zaostať. Koniec koncov, to je aj jedna z hlavných príčin, prečo ešte na konci minulého storočia vyrábalo DRAM viac ako 20 firiem a dnes to už na vrcholovej úrovni robia prakticky len 3.
ZMENŠOVANIE PRVKOV A NUTNÁ ALTERNÁCIA KONŠTRUKCIÍ
Zmenšovanie výrobného procesu je dnes monumentálny technologický úkon, ktorý sa v priebehu času stával čoraz komplikovanejší. Zmenšovanie akéhokoľvek funkčného mechanizmu je totiž limitované veľkosťou jeho častí, ktoré musia byť vytvorené z nejakého materiálu a zákonite nemôžu byť tieto prvky menšie než hŕstka atómov, ktoré svojou prítomnosťou nejaký materiál a prvok vôbec zhmotnia.
Návrh nového menšieho výrobného procesu teda vonkoncom nepozostáva z nejakého jednoduchého „ubratia“ materiálu v každej súčiastke/prvku, ale hlavne z alternácie celkového konceptu a konštrukcie, ktorá bude pri daných rozmeroch stále fungovať. Typickým problémom je, že pri menších objemoch sa jednotlivé materiály začnú správať inak a nemusia už svoj účel plniť tak, ako predtým. Je preto výskumom nutné hľadať také, ktoré ich môžu nahradiť alebo celú konštrukciu fungovania tranzistora výrazne architektonicky upraviť.
Jednoduchou ilustráciou tohto problému je teplá zimná bunda, ktorá sa vám zdá príliš hrubá, a tak z nej polovicu izolačného materiálu odoberiete. Bunda sa vám následne už síce dobre zmestí do preplnenej skrine, avšak vonku na mraze rýchlo zistíte, že už nemá totožné vlastnosti a neizoluje vás tak ako predtým.
Podobné je to aj s tranzistormi a ich hradlami a izolačnými vrstvami. Ak tranzistor zmenšíme napr. z 16 nanometrov na 10 nm, čím sa izolačná vrstva medzi jeho hradlom a elektródami stenčí napríklad z 5 nanometrov na 2 nanometre, pôvodný materiál už nemusí zvládať plniť svoj izolačný účel a je nutné ho nahradiť iným, lepším, ktorý to pri daných hrúbkach zvládne. Avšak problémom je, že takýto materiál ešte vôbec nemusíme vedieť vyrobiť alebo aplikovať, alebo ešte horšie – taký materiál ani vôbec nemusí existovať.
Nanášanie fotorezistívneho materiálu na wafer pri výrobe DRAM /Foto: Micron/
Riešením obvykle je, že výrazne modifikujeme konštrukciu tranzistora tak, aby si daný prvok zachoval dostatočnú veľkosť napríklad tým, že sa výrazne natiahne do výšky, čo na cenný plošný rozmer waferu nemá vplyv. Takéto kroky sú však mimoriadne technologicky náročné a prielomy v týchto smeroch, ktoré sa udiali v tejto dekáde, boli nesmierne zaujímavé. Všetko má však svoj limit a jedného dňa skrátka zmenšovanie konkrétneho typu konštrukcie tranzistora nie je možné a skončí.
Alternatívou je, že pokračovanie zmenšovania je síce možné, ale je z hľadiska času výskumu veľmi pomalé a problémové. V oboch týchto prípadoch sa dostávame k novším alternatívnym technológiám, ktoré sa dostanú razom na výslnie, pretože tie môžu vďaka inej konštrukcii a inému princípu fungovania v zmenšovaní potenciálne pokračovať a príslovečne tak prebrať štafetu.
V tejto súvislosti bude pre mnohých ľudí prekvapením, že mnohé tieto „objavujúce“ sa nové technológie poznáme celé roky či rovno dekády, pričom v niektorých prípadoch nejde len o laboratórny výskum, ale rovno aj o úspešnú sériovú výrobu čipov, ktoré sú na trhu. Dôvodom, prečo tieto alternatívne konštrukcie ešte nenahradili súčasné DRAM či NAND flash riešenia je, že sú fakticky o niekoľko generácií pozadu. Ich tranzistory či iné prvky tvoriace pamäťové bunky sú väčšie a menej hustejšie, sú pomalšie a ich výroba je drahšia. Súčasným technológiám prvého sledu preto nemôžu priamo konkurovať. Asi ťažko by ste dali prednosť pamäťovému čipu, ktorý je pomalší, má menšiu kapacitu a je drahší.
Keďže ich zlepšovanie pokračuje v rovnakom čase, ako vývoj technológií hlavného sledu, medzera medzi pokrokovosťou ich výrobného procesu sa vlastne nezmenšuje. Pripomína to situáciu dvoch súrodencov, z ktorých je jeden o dva či tri roky mladší a snaží sa toho staršieho vekom „dobehnúť“. MRAM či iná technológia s novými nodmi výrobného procesu naozaj prináša stále lepšie a menšie tranzistory, ale keďže technológie hlavného sledu robia to isté a sú o „dva či tri kroky“ napred, medzera zostane rovnaká a MRAM zostáva mimo záujmu a ekonomickej výhodnosti.
1 Gb MRAM čip od firmy Everspin, ktorý sa dostal na trh v júni minulého roku /Foto: Everspin/
Lenže situácia sa začne meniť v momente, ako technológie prvého sledu narazia na svoju hranicu a ich vývoj a ďalšie zmenšovanie ich konštrukcií sa už viac nepodarí. Ak alternatívna technológia podobné obmedzenia nemá a pokračuje v škálovaní a pokroku, odstup sa vynuluje a nová technológia preberie žezlo ekonomickej výhodnosti. Nezáleží pritom na tom, že výroba tranzistorov novým spôsobom je napríklad o 50 % či o 100 % drahšia. Ako sme videli na príklade vyššie, stačí aby prišiel ďalší nod alebo nody výrobného procesu a rozdiel v cene zmizne. Ak napríklad jedného dňa dostaneme na jeden wafer 4× alebo 8× a viac tranzistorov MRAM, ako DRAM, tak už je irelevantné, že wafery MRAM sú napríklad 2× drahšie. Z hľadiska ceny za kapacitu čipov totiž budú lacnejšie.
To je dôvod, prečo dnes všetci významní výrobcovia polovodičových pamätí neprestajne investujú nemalé peniaze do vývoja MRAM, ReRAM a ďalších riešení, a to už desiatky rokov.
AKO BUDE VYZERAŤ KONIEC ŠKÁLOVANIA DRAM?
Dynamická pamäť s priamym prístupom, skrátene DRAM (Dynamic random-access memory), slúži v rámci počítačov ako operačná pamäť už od 70. rokov minulého storočia. Od prvého komerčného DRAM čipu Intel 1103, s 1024 tranzistormi (128 bajtov) sme sa dnes posunuli k čipom s viac ako 16 miliardami tranzistorov (16 Gb/4 GB), ktoré osadzujeme samostatne alebo vo viacerých kusoch na pamäťové moduly či do SOC puzdier. Fyzický tvar konštrukcie prvkov sa pravdaže menil. Počas vývoja, v ktorom sa úvodný 8000 nm výrobný proces dopracoval až na súčasné 15 až 19 nm nody došlo k mnohým architektonickým zmenám a vylepšeniam, pričom dnes používame štvrtú generáciu synchrónnej varianty s dvojitým pumpovaním (DDR4 SDRAM).
Samotný základný princíp práce a konštrukcie DRAM však zostal zachovaný. Každú pamäťovú bunku tvorí jeden tranzistor a jeden kondenzátor. Tranzistor je napojený na adresnú linku/vodič (tzv. word line) a funguje ako prepínač, obsluhujúci kondenzátor. Kondenzátor uchováva svojím nabitím alebo nenabitím binárnu hodnotu 1 alebo 0, pričom spoločne s tranzistorom je napojený na dátový vodič/linku (bit line), ktorý umožňuje vykonávať zmenu a meranie napätia (zápis/čítanie).
Ako sa tranzistor DRAM s novým výrobným procesom zmenšoval, ploché hradlo malo stále väčší problém kanál ovládať. Najprv sme to vyriešili prechodom na RCAT konštrukciu s ponoreným hradlom, kde elektrónom pribudla vertikálna cesta a neskôr prechodom na dnešný S-FinFET, pri ktorom je maličký kanál možné ovládať vďaka tomu, že ho hradlo obkročí tak ako sedlo. Na snímke z elektrónového mikroskopu môžete vidieť (vpravo dole), ako kanál v podobe rebra prechádza vnútrom sedlového hradla.
Relatívne veľká jednoduchosť tejto schémy sa podieľala na tom, že zmenšovanie pamäťovej bunky DRAM šlo v prvých dekádach (až zhruba do 100 nm nodu) mimoriadne dobre, konštruovaním stále menšieho tranzistora a kondenzátora z dobre správajúcich sa materiálov, ako je oxid kremičitý a nitrid kremičitý. Relatívne spanilá jazda sa však po troch dekádach skončila s nástupom 21. storočia, kedy ďalšie škálovanie začalo byť čoraz väčšou výzvou.
Na schematickom obrázku si môžete pozrieť, že tranzistor vyzerá koncepčne tak trochu ako domček. Na jeho bokoch sú elektródy (source a drain), pričom tok elektrického prúdu medzi nimi, a teda zapínanie a vypínanie tranzistora, kontrolujeme elektrickým poľom aplikovaným na hradlo (odizolovaná strieška domčeka). Tento koncept je celkom totožný s tranzistormi logických výpočtových obvodov (CPU, GPU), avšak keďže tranzistor použitý v DRAM má trochu iné požiadavky na prácu, vývojová alternácia tejto konštrukcie šla trochu iným smerom.
Najvýznamnejšou odlišnosťou DRAM tranzistora je nutnosť veľkého rozdielu napätia medzi vypnutým a zapnutým stavom. To potrebuje na to, aby zabránil stratám náboja vo svojom sesterskom kondenzátore a zároveň preto, aby bolo možné do kondenzátora náboj (dáta) veľmi rýchlo vložiť (cca 10 nanosekúnd). Táto pamäťová problematika pravdaže v rámci CPU/GPU neexistuje.
Na začiatku 21. storočia sme sa s podbehnutím 100 nm výrobného procesu začali čoraz viac stretávať s tým, že zmenšujúci sa tranzistor mal čoraz väčšie problémy zabrániť neželeným únikom prúdu. Elektródy (po stranách) začali byť príliš blízko, kanál (stred domčeka) začal byť príliš úzky a elektróda hradla (strieška) už nedokázala na takom malom priestore efektívne ovládať tok prúdu pod ňou. To viedlo k prvej radikálnej zmene konštrukcie tranzistora smerom k viac trojrozmerným štruktúram, pričom spočiatku šlo o RCAT (Recess Chanell Array Transistors).
V rámci nej sa dovtedy používaná „strecha“ v podobe hradla začala ponárať do kremíkového kanálu medzi elektródami (teda dovnútra „domčeka“). Vyriešil sa tak problém stále skracujúcej sa trasy prúdu medzi elektródami, ktorá viedla k únikom. Aj keď sa teda tranzistor ďalej zmenšoval (vodorovne zužoval), dĺžka kanálu sa zväčšila tým, že elektróny musia „ponorenú strechu“ vertikálne obchádzať. To môžete vidieť nielen na schematickom obrázku, ale aj na fotografiách z elektrónového mikroskopu. S potrebou ďalšieho zmenšovania sa táto konštrukcia ďalej menila, čo viedlo k sférickému (S-RCAT) a účkovému (U-RCAT) obaleniu hradla. S nástupom 40 nm a menších výrobným procesov v tejto dekáde prešli vývojári k ešte náročnejším sedlovým/rebrovým štruktúram.
Pokiaľ ste nahliadli na náš podrobný článok o 50 ročnej histórii zmenšovania konštrukcie tranzistorov, oprávnene sa vám táto konštrukcia spojí s Fin-FET riešením rebrovaných hradiel. Tie sa začali používať pri týchto tranzistoroch pri 22 nm výrobnom procese v roku 2012. Podobne ako pri tranzistoroch procesorov, aj v prípade DRAM je veľmi pravdepodobné, že na prelomenie hranice 5 nm v nasledujúcich rokoch budeme musieť použiť na výrobu mimoriadne náročnú GAAFET štruktúru (Gate-all-around FET). Tá je označovaná aj pojmom „nanovláknové tranzistory“, pretože kanál medzi elektródami má už podobu len malého vlákna a hradlo je okolo neho kompletne omotané, čo mu umožňuje takýto malý a úzky priestor ovládať. Tranzistory tak spoločne s napojenými kondenzátormi začnú pripomínať piliere.
Postupné zvyšovanie výšky kondenzátora, ktorý budujeme nad alebo pod tranzistormi. Jedinou cestou zachovania jeho funkčnosti pri stále zmenšujúcom sa horizontálnom rozmere bolo jeho naťahovanie do výšky a dnes sa blíži pomeru strán 100 : 1.
Lenže DRAM nie je len tranzistor. Problémom sa behom nasledujúcej dekády stane jej kondenzátor, ktorý je takisto súčasťou každej bunky. Konečnou hranicou je, že DRAM, operujúca v rámci svojej práce s elektrickým nábojom, vyžaduje na svoju funkčnosť nejakú použiteľnú elektrickú kapacitu bunky, aby bolo možné úspešne detegovať zmeny napätia. Hranica je zhruba na úrovni 10 femtofaradov a akonáhle sa konštrukcia zmenší natoľko, že množstvo použitého materiálu v kondenzátore už z fyzikálneho hľadiska nebude schopné takúto hodnotu dosiahnuť, pôjde o technologický koniec celého konceptu.
Vývojári DRAM s týmto problémom zatiaľ bojujú tak, že materiál kondenzátoru pri horizontálnom zmenšovaní čoraz viac naťahujú do výšky. V súčasných a v roku 2020/21 nasadzovaných výrobných procesoch DRAM (18 / 12 nm) sa blížime k tomu, že pomer výšky kondenzátora k jeho šírke je už takmer stonásobný. Ako je vidieť na schematickom obrázku, už nie je príliš možné tento koncept viac naťahovať, pretože sme sa dostali na hranicu štrukturálnej stability a takisto toho, ako tenký materiál dokáže udržať náboj bez nežiaducich únikov.
Máme tu ešte k dispozícii jeden známy krok, ktorým je použitie tzv. „high-k“ dielektrík, teda pokročilých materiálov s vysokými dielektrickými konštantami, ktoré sme už vyvinuli pre použitie v rôznych typoch tranzistorov (pre CPU). Začneme ho používať pri menej ako 10 nm DRAM procesoch (2022/25). Po jeho vyčerpaní už je však ďalšia potenciálna cesta vpred značne zahmlená, pretože ani s high-k dielektrickými materiálmi nemožno túto pilierovú konštrukciu stenčiť na výrazne menej ako 5 nm. Vtedy skrátka prestane fungovať (nemýľte si túto 5 nm šírku s 5 nm výrobným procesom, ten je možné dosiahnuť tým, že sa zmenšia iné časti konštrukcie na úkor iných).
Nevyhnutnú smrť DRAM z dôvodu skončenia zmenšovania kondenzátora niektorí vývojári navrhujú riešiť jeho odstránením, čo je známe pod menami ako 1T-DRAM alebo „bezkondenzátorová DRAM“. Jeho úlohu preberá v tejto architektúre samotný tranzistor, ktorý sa doplňuje o plávajúce hradlo schopné držať náboj, čo je vlastne podobné tranzistoru NAND flash. Či sa to niekedy podarí realizovať v daných rozmeroch a potrebných rýchlostiach je však veľkou otázkou, pretože NAND flash tranzistory narazili na hranicu zmenšovania pri 15 nm node a ďalej sa skrátka už nepohli. Sú pri tom z hľadiska rýchlosti spínania oveľa pomalšie, a teda jednoduchšie, ako tranzistory ktoré by potrebovala 1T-DRAM.
Z týchto a ďalších dôvodov sa preto mnoho analytikov a takisto vývojárov nazdáva, že koniec škálovania DRAM nastane nakedy na konci nadchádzajúce dekády. Je pravdaže možné, že to tak nebude a škálovanie DRAM sa podarí ťahať ďalej. Dnes ale nemôžeme s istotou tvrdiť, že sa nám prelomové riešenia nastávajúcich problémov určite podarí nájsť. Historicky to bola síce pravda, avšak keďže každý ďalší krok je výrazne náročnejší, než ten predošlý, úspechy z minulosti nič neznamenajú. Musíme rátať aj s možnosťou, že sa riešenia neobjavia. A práve preto poškuľujeme po MRAM.
ČO JE TO MRAM A AKO FUNGUJE
MRAM, teda Magnetická RAM, je spintronická polovodičová pamäť, ktorú preskúmavame a aktívne vyvíjame od 90. rokov minulého storočia. Jej hlavnou odlišnosťou od DRAM a NAND Flash je, že na udržanie a meranie dátovej hodnoty nepoužíva elektrický náboj, ale elektrónový spin.
Spin si je možné veľmi zjednodušene predstaviť ako smer, ktorým sa elektrón otáča okolo vlastnej osi. V realite ide o vnútorný moment hybnosti inak v základe bodovej častice, ktorého veľkosť je trvalá a nemenná. Jeho „smer“ sa však v základe môže vzhľadom na pozorovateľa meniť.
Predstavte si to ako nástenné ručičkové hodiny, ktoré sú zo skla. Pri pohľade spredu idú ručičky jedným smerom, ale ak sa pozriete na ne zozadu, smer pohybu ručičiek bude pre vás opačný, aj keď z hľadiska hodín sa pravdaže nič nezmenilo. Podobne je to aj so spinom elektrónu. Ak sa „točí“ zľava doprava (z pohľadu severu proti smeru hodinových ručičiek), horíme, že jeho sever je hore, tak ako v prípade Zeme. Ak jeho severnú stranu otočíme vzhľadom na nás dole, bude jeho rotácia opačná, i keď pravdaže nikdy nedošlo k tomu, že sa zastavila a elektrón sa začal točiť opačne. Zmenila sa len jej orientácia vzhľadom k nám či inému objektu. A tento efekt môžeme využiť a čisto elektricky ovládať.
Bunka STT-MRAM tvorená magneticko tunelovacou spojkou (MTJ), v ktorej sa otáča spin elektrónov a tranzistorov (klasickým vľavo alebo FinFET vpravo)
Pamäťová bunka MRAM je zložená z tranzistora a magneticko-tunelovacej spojky. Architektonicky sa teda podobá na DRAM a jeho tranzistor a kondenzátor. Kým u DRAM reprezentuje stav 1 alebo 0 elektrické nabitie kondenzátora, v prípade MRAM reprezentujeme 1 a 0 tým, aký veľký elektrický odpor vytvára v obvode jeho magneticko tunelovacia spojka, skrátene MTJ (z anglického Magnetic Tunnel Junction). Na schematickom nákrese môžete vidieť, že MTJ sa skladá z dvoch nad sebou uložených prvkov, ktoré sú oddelené izolačnou vrstvou. Odlišujú sa tým, že dolný prvok má fixnú magnetickú polaritu a ten horný meniteľnú, pričom uskladnenie informácie je reprezentované prevrátením spinu jeho elektrónov.
Ak sú oba prvky magneticky nasmerované do totožného pólu, elektróny sa obvodom môžu kvantovo tunelovať cez izolačnú vrstvu a nízky odpor v rámci obvodu bunky reprezentuje „otvorený“ stav. Ak je naopak spin elektrónov v hornom prvku a dolnom prvku rozdielny, tento nesúlad vytvorí merateľne vyšší elektrický odpor, čo môžeme evidovať ako „zavretie“.
Na schematickom nákrese si všimnite, ako je MRAM bunka zložená z tranzistora a MTJ prvku napojená v hornej časti na dátový vodič, vedúci pozdĺžne, a cez hradlo tranzistora na adresný vodič, ktorý pretína bunku priečne (vytvára sa tak kríž a v rámci celého čipu mriežka). Ak na adresný vodič privedieme malé napätie a bunka neuzavrie obvod kvôli vyššiemu odporu (MTJ nie je magneticky zarovnaný), čítame nulu. Ak sa naopak obvod zopne, znamená to, že MTJ prvok má malý odpor (je magneticky zarovnaný) a čítame tak jednotku.
Zápis funguje úmyselným privedením vysokého napätia na adresný aj dátový vodič, podobne ako v prípade DRAM, kde tento akt funguje ako vybitie či nabitie kondenzátora. Ak na vodiče privedieme dostatočne veľký elektrický prúd jedným smerom, spin elektrónov v hornej časti MTJ prvku sa s ním zarovná. Horný meniteľný element má teda rovnaký spin, ako nemenný spodný a zapísali sme hodnotu 1. Ak dostatočne veľký prúd privedieme na vodiče opačným smerom, spin elektrónov v hornej časti MTJ prvku sa s ním zarovná takisto, ale tentoraz bude so spodnou vrstvou už v nesúlade, odpor obvodu sa zväčší a bunka reprezentuje stav nula.
Dôležité je, že táto zmena spinu, ktorá sa vykoná behom pár nanosekúnd, je trvalá a elektróny takto zostanú nasmerované už navždy (alebo do ďalšej zmeny vyvolanej elektródami). Vďaka tomu je MRAM typ pamäte, ktorý si dáta uchováva bez potreby elektrického napájania. Naproti tomu DRAM elektrické napájanie pre udržanie dát potrebuje, pretože jej mikroskopický kondenzátor dokáže udržať elektrický náboj len pár milisekúnd, takže DRAM musí každú svoju bunku opakovane spínať a kondenzátor nabíjať (1000× za sekundu).
Túto odlišnosť označujeme pojmom volatilná (dáta samovoľne stráca) a nevolatilná pamäť (dáta dlhodobo drží). MRAM je teda nevolatilná pamäť, podobne ako NAND Flash, ktorá túto vlastnosť má vďaka nabíjateľnému plávajúcemu hradlu svojho tranzistora (čo značne redukuje jeho rýchlosť a životnosť). MRAM používa obyčajný tranzistor, ktorý navyše nepotrebuje mať také vysoké napäťové nároky ako tranzistor DRAM. Takže očakávame, že ho budeme môcť zmenšovať za hranicu toho, kde skončíme s DRAM konceptom. V podobnú vec dúfame aj v súvislosti s MTJ prvkom, u ktorého očakávame lepšie zmenšovanie ako u kondenzátora.
Bočný pohľad na zástup MRAM buniek od Intelu. Elektrónovým mikroskopom sa pozeráme na elektródy vystupujúce z FinFET tranzistorov (zákryt v dolnej časti), ktoré smerujúce do Word Line, pričom v strede elektród je dobre vidieť MTJ prvok
Pri pohľade na výhody sa ponúka otázka, prečo MRAM nepoužívame namiesto DRAM už dnes. Odpoveďou je, že v súčasnosti je ekonomicky neakceptovateľná. Jej tranzistory sú o niekoľko generácií väčšie a jej výkon je mierne menší. Zároveň je výrazne drahšia na výrobu. Jedinou firmou, ktorá MRAM čipy dnes aj komerčne produkuje a predáva, je americká firma Everspin. Za určitých okolností totiž tieto neekonomické parametre môžete akceptovať, pretože udržanie dát bez potreby napájania je pravdaže značný rozdiel.
V júni minulého roku Everspin predstavil svoje nové 1 Gbit čipy (128 MB) EMD4E001G vyrobené na 22 nm výrobnom procese (GlobalFoundries). Pre ilustráciu si môžeme vytvoriť porovnanie so súčasnými DDR4 SDRAM modulmi, i keď bude vskutku dosť kostrbaté a vzhľadom na objemy výroby neférové. Osadením dnes bežných šestnástich 8 Gb DRAM čipov môžete dostať 16 GB modul s frekvenciou 3000 MHz za cenu zhruba 70 eur. Osadením šestnástich MTT-MRAM by ste vytvorili 2 GB modul s frekvenciou 677 MHz, teda modul výrazne pomalší a kapacitne značne menší, ale pritom za viac ako desaťnásobnú cenu.
Ako sme už ale vysvetlili vyššie, na likvidáciu tohto odstupu stačí, aby DRAM technológia narazila na limit škálovania na menšie výrobné procesy. Akonáhle na podobný limit MRAM nenarazí a bude v škálovaní na nižšie výrobné procesy pokračovať, zvyšovanie počtu tranzistorov prelomí paradox vyššej ceny a stane sa rýchlejšou, kapacitne väčšou aj lacnejšou. Práve preto množstvo firiem, ako napríklad Samsung, Intel, IBM, Hitachi či Toshiba, vykonáva vývoj MRAM už mnoho rokov.
AKO BUDE VYZERAŤ KONIEC ŠKÁLOVANIA NAND FLASH
NAND flash, ktorú používame v SSD „diskoch“ a takisto v rámci každej mobilnej elektroniky ako úložisko dát, je fantastický kus technológie, ktorý nám umožnil atakovať vysoké kapacity, o ktorých sa nám donedávna v rámci polovodičových pamätí ani nesnívalo. Na rozdiel od DRAM tieto pamäťové bunky nepotrebujú kondenzátor, pretože náboj uchovávajú na plávajúcom hradle samotného tranzistora (alebo v ekvivalentnej nábojovej pasci), čo je v základe doplnková medzivrstva medzi hornou elektródou hradla a kanálom.
Táto vrstva je odizolovaná, avšak pomocou kvantového tunelovania je ju možné nabiť, pričom tento náboj si uchová. Na rozdiel od podobne veľkého kondenzátora (niekoľko nanometrov) nie na milisekundy, ale na celé roky. Navyše, vďaka pokrokom vo vývoji je možné používať a merať viac veľkostí nabitia a tie najnovšie typy NAND tak uchovávajú 4 bity namiesto 1. Jedna takáto bunka je teda schopná zastať prácu štyroch obyčajných binárnych. Keď k tomu prirátame fakt, že pamäťovú bunku NAND tvorí vlastne len tranzistor ako taký, jeho zmenšovanie prinášalo v minulosti rýchle nárasty kapacity.
Daňou za toto všetko je, že tranzistory NAND flash majú výrazne nižšiu rýchlosť spínania a takisto zložitejšiu výrobu ako tie ktoré sú v DRAM. Navyše, ich spôsob zapojenia a sériovej práce robí zápis dát výrazne pomalší ako čítanie (tento dôvod má pravdaže technologické opodstatnenie, ktoré tejto technológii vôbec dovolilo existovať a presadiť sa).
Výsledkom je, že NAND flash dosahuje pri bežnej nesekvenčnej prevádzke rýchlostí niekoľkých stoviek MB/s, s prístupovými dobami na úrovni stoviek mikrosekúnd (stovky tisícov nanosekúnd), zatiaľ čo DRAM je schopná pumpovať desiatky GB/s pričom je jej jedno či ich číta alebo zapisuje, alebo na ktorých miestach to robí (prístupové doby na úrovni desiatok nanosekúnd). A keď je síce NAND flash v porovnaní s DRAM úplný slimák, tak jej rýchlosti sú mnohonásobne vyššie, ako dnes dosahujú mechanické úložiská v podobe HDD. Keďže ich kapacitami začali úspešne atakovať, v segmentoch kde dosiahli dostatočnú dátovú hustotu ich úplne nahradili.
Rozmerové škálovanie tranzistorov NAND flash skončilo v rokoch 2015 a 2016 na 16/14 nm výrobných procesoch. Z dôvodu masívnych problémov s konštrukciou tranzistorov s plávajúcim hradlom pri menších rozmeroch sa už menšie výrobné procesy nepodarilo vyvinúť (FinFET a GAFFET konštrukcie tu nedávajú zmysel). Vývojári dané hrozby videli pravdaže už pár rokov dopredu a svoje úsilie sústredili na masívne náročný a odvážny krok, ktorým je budovanie vertikálnych konštrukcií (na 19 nm výrobnom procese). Ten sa úspešne podaril a zvyšovanie dátovej hustoty, a teda kapacity čipov sa darí ďalej posúvať výrobou stále vyšších a vyšších tranzistorových „mrakodrapov“.
92 poschodové mrakodrapy NAND flash v čipoch Samsungu /Foto: SystemPlus Consulting/
Tento proces je nesmierne náročný a má mnoho úskalí. Nejde totiž o žiadne vrstvenie tranzistorov na seba, ako keď staviame hrad z kociek, ale o výrobu celého „hradu“ naraz v rámci jedného procesu. Dôvodom, kvôli ktorým koniec zmenšovania tranzistora NAND flash nastal, sme sa nedávno venovali v samostatnom podrobnom článku „Ako sa vyvíja SSD pre nadchádzajúcu dekádu“. V ňom sme sa zároveň pozreli detailne na to, ako dnes prebieha vývoj ich vertikálnych štruktúr a aké problémy dnes a v blízkej budúcnosti vývojári riešia.
V súvislosti s problematikou jeho náhrady preto konštatujeme len výsledok, teda to, že budovanie vertikálnych konštrukcií (ktoré nahradilo proces zmenšovania) takisto nie je nekonečné. Takisto totiž ide o problém s exponenciálnym rastom zložitosti. Potrebné zvýšenie vrstiev pre nový výrobný proces totiž v počiatku nevyzerá hrozivo, pretože ide o zvýšenie z 1 na 2 a z 2 na 4, lenže náruč exponenciálneho rastu je neúprosná. Ak ste naraz horko-ťažko postavili šestnásť poschodí, pre budúci nod nestačí sedemnásť či osemnásť. Musí to byť 32 a následne 64 a potom 128.
Vývojári síce zvolili medzikrokové tempo, ale situáciu to príliš nemení. Keď sme tieto pokročilé konštrukcie začali v roku 2014 vyrábať na úrovni 32 „poschodí“, oprávnene sme sa obávali, že dvojnásobok už nezvládneme (z dôvodu problémov šachiet, čomu sme sa venovali v už spomenutom článku). Na konci roku 2015, respektíve začiatku roku 2016, sme ale dokončili vývoj výrobného procesu pre 48 vrstiev a v roku 2017 vďaka novým metódam aj 64 vrstvové riešenie.
Nové metódy viazania a obrovské pokroky vo vývoji nám na prelome rokov 2018 a 2019 umožnili zhmotniť 96-poschodové riešenia a na prelome rokov 2019/20 sme zadžali zavádzať do výroby 128 poschodové. Čísla sú mierne variabilné (112-136), pretože všetky štyri firmy/konzorciá, ktoré vyvíjajú vrcholový proces výroby NAND, k nemu dospeli inak. Ich roadmapy pritom prorokujú nasadzovanie zhruba 150/175 vrstiev v roku 2021 a 220/256 vrstiev v roku 2022. Tie sú vďaka pokroku, ku ktorému sme vo výrobe vertikálnych štruktúr dospeli, značne reálne, i keď oneskorenie pravdaže môže nastať.
Vývojári v súčasnosti vidia mraky nad celým konceptom hlavne okolo 512 vrstiev, pretože masívna komplexnosť konštrukcie a jej napojenie na vodiče nám doslova padá na hlavu. Dnes nie je vôbec jasné, ako by sa nám túto hranicu mohlo podariť prekonať (nehovoriac už o nasledujúcich cca 768 a 1024 vrstvách). Dostávame sa tak k tomu, že schodnosť tohto progresu môže skončiť už zhruba v polovici nadchádzajúcej dekády, teda okolo roku 2025. Samozrejme to nie je žiadna istota a možno sa nám naozaj podarí objaviť výrobné postupy, ktoré budú môcť realizovať vertikálne štruktúry s niekoľkými tisíckami tranzistorov. Tým by sme NAND flash posunuli až do tretej dekády tohto storočia, čím by zrejme zostal na výslní dlhšie ako DRAM. Nuž, lenže stať sa to aj nemusí a bude musieť predať štafetu inej technológii.
VÝZVA S MENOM RERAM
Predošlý text vám naznačil prakticky neodvratnú vlastnosť, ktorú potenciálna náhrada NAND flash musí mať. Vďaka tomu, že jeho tranzistor tvorí celú bunku, zvládli sme ho začať vyrábať v čoraz vyššom viacnásobnom zvislom reťazci. Definitívne to tak vyradilo akúkoľvek konkurenciu, ktorá takejto výroby nebude schopná.
Aj keď NAND flash tranzistor zostal zamrznutý na zhruba 19 nm výrobnom procese a už ho nie je možné bezpečne zmenšovať, jeho možnosť opakovania vo zvislom reťazci ťahala Moorov zákon neprestajne ďalej. Ak by sme chceli jeho škálovanie dobehnúť štandardným smerom, tak pamäťová technológia schopná len klasickej horizontálnej výroby by musela ísť do masívne vzdialených nodov. Prakticky už prvé 32/48 vertikálne zväzky 19 nm nodu NAND flash tranzistorov vytvoria dátovú hustotu na úrovni 3 či 2 nm výrobného procesu. Dnešné 128-poschodové štruktúry a budúce 256-poschodové NAND sú tak z hľadiska množstva tranzistorov na plochu už ekvivalente hlboko pod klasickým 1 nm procesom.
To je aj odpoveď na to, prečo náhradou NAND flash nemôže byť MRAM. Tá je síce omnoho rýchlejšia a takisto drží dáta bez potreby napájania, avšak z hľadiska dátovej hustoty zaostáva za DRAM, ktorú dnes bežne požívame v kapacitách 4 až 32 GB. Dúfame pritom, že v momente ako sa vývoj DRAM spomalí, MRAM odstup preklenie. Idea, že by sa MRAM mala postaviť proti NAND flash technológii, ktorú už dnes používame v rámci 256 až 1 TB SSD, je nereálna. Odstup hustoty a ceny za GB je jednoducho príliš veľký. Náhradou, ktorá preberie vývojovú štafetu môže byť jedine technológia, ktorá bude škálovať na podobných objemoch a bude tieto kapacity môcť dosahovať krátko potom, ako NAND začne narážať na problémy s novými výrobnými procesmi. A práve preto dosť poškuľujeme po ReRAM.
ReRAM bunku je s ideálnym materiálom možné prevádzkovať aj samotnú. V praxi si ale pri jej ovládaní pomáhame tranzistorom, takže bunka pripomína MRAM. Reálnu konštrukciu vidieť vpravo dole s tranzistormi na dne a „hamburgerovým“ ReRAM prvkom na elektródach. Vľavo hore vidieť v materiáli na povel preskupené molekuly kyslíka, ktoré vytvárajú cestu so zníženým odporom
O pamätiach ReRAM, teda rezistívnych RAM, snívame už viac ako 50 rokov, odkedy sme ich princíp práce objavili. Častokrát sú považované za ultimátny princíp fungovania pamäte, nakoľko tento koncept je potenciálne možné hnať za limity hustoty a veľkosti NAND flash a rýchlosti DRAM (pravdaže nie nevyhnutne súčasne).
Základná architektúra pamäťovej bunky ReRAM je prakticky najjednoduchšia, aká môže byť. Ide o izolačný materiál umiestnený medzi dvoma elektródami (viditeľný na schéme), ktorý plní rolu pamäťovej bunky. Princípom práce je, že poznáme mnoho materiálov, ktoré v reakcii na konkrétne napätie zvýšia alebo znížia svoj elektrický odpor, a to trvácne. Pamäťovú bunku teda môžeme navrhnúť tak, že materiál medzi elektródami má slabý odpor, čo bude reprezentovať hodnotu 0.
Zapnutím elektród pritom tento odpor môžeme merať, a teda dáta aj čítať (nedeštruktívne). Ak budeme chcieť hodnotu prepísať na 1, privedením dostatočného veľkého jednorazového napätia zmeníme elektrický odpor daného materiálu a následne bude tento zmenený stav, ktorý takisto môžeme tak ako predtým merať nedeštruktívne, reprezentovať jednotku. Pre tento princíp sa vžilo aj označenie memristor, ktorý ste možno už počuli.
Keďže takýchto materiálov sme objavili už mnoho, pričom sa vždy správajú mierne inak, mohli by sme nájsť také, ktoré by uspokojivo fungovali aj v extrémne miniatúrnych rozmeroch (náhrada NAND), alebo by síce boli väčšie, ale zase by ich bolo možné prepínať extrémne rýchlo (náhrada DRAM).
Vývoj ReRAM sa však ukázal zložitejší, ako to ktokoľvek predpokladal. Aj keď samotný princíp je v základe jednoduchý a priamočiary, zvládať ho opakovane a spoľahlivo sa ukázalo z fyzikálneho hľadiska veľmi problematické. V súčasnosti vieme pamäte tohto typu komerčne vyrábať, ale sú ďaleko za hranicou toho, čo od nich v princípe očakávame. Nejde totiž ani tak o výrobu, pretože v mnohom je možné použiť zavedené polovodičové postupy, ale skôr o samotné správanie materiálov.
Jedným z najväčších problémov je, že aj keď každá bunka použije rovnaký materiál, skoro v každej sa správa mierne odlišne, čo je spôsobené tým, ako sa jeho molekuly po zásahu prúdom náhodne mierne odlišne preskupia. Výsledkom je, že jednotlivé bunky majú trochu odlišné stavy odporov a takisto sú na ich prepis potrebné a aj rozlične veľké napätia. Takáto variabilita na úrovni celého čipu a miliárd buniek je pravdaže problematická a nežiaduca.
Hľadanie a vývoj nových vhodných materiálov tak pokračuje vo veľkom tempe. Najviac preskúmavané sú tzv. binárne oxidy, čo sú špecifické zmesi rôznych druhov kovu s kyslíkom, pretože majú relatívne jednoduché štruktúry a lacný proces výroby, kompatibilný s riešeniami používanými pri výrobe kremíkových polovodičov. Typicky ide napríklad o oxid titánu či oxid hafnia. Komplexnejšími zlúčeninami, ako je napríklad zlúčenina praseodymu, kalcia, mangánu a kyslíka, pripadne zlúčeniny kyslíka, stroncia a titánu, nám často poskytujú rôzne variácie a zlepšenie správania. Z hľadiska čo najväčšieho možného škálovania do extrémne malých rozmerov s nádejou preskúmavame takisto grafén a obdobné materiály schopné „2D atomárnych“ štruktúr, ako nitrid boritý a perovskit.
Elektrické zapojenie a kontrola vyrobených DRAM čipov na nerozrezanom waferi pri procese výroby /Foto: Micron/
Mechanizmus prepínania, respektíve zmeny rezistencie materiálov takisto nie je celkom vyriešený a hľadajú sa cesty, ako ho aplikovať čo najlepšie. Existujú rôzne metódy ako zmenu rezistencie vyvolávať, pričom majú svoje silné stránky aj slabiny. Rozlične použité metódy zároveň ovplyvňujú rýchlosti a potrebný rozmer konštrukcie, čo ovplyvňuje to, aké má výsledný ReRAM vlastnosti.
Tieto problémy a ťažkosti znamenajú, že ReRAM dnes nie je pripravený na prechod do prvej ligy, avšak vývojom sa stav tejto technológie v posledných rokoch značne rýchlo mení. V súčasnosti vidíme, že nádejnejší a úspešnejší je vývoj tých typov, ktoré sú o niečo rýchlejšie ako NAND flash a potenciálne ho môžu v škálovaní do vysokých hustôt dobehnúť.
To nám pravdaže nezabraňuje paralelne vyvíjať aj menej hustejšie a výrazne rýchlejšie varianty (atak na DRAM). Tie sú ale zrejme časovo o dosť vzdialenejšie. V súvislosti s nadchádzajúcou dekádou preto ReRAM považujeme skôr za perspektívnu náhradu NAND flash. V posledných rokoch sa teší táto technológia akcelerovanému vývoju vo firmách ako Fujitsu, Samsung, Panasonic, Micron, HP či Sony. Zostáva nám ju len s napätím sledovať.
Uvidíme teda, čo nám nadchádzajúca dekáda prinesie a či na jej konci naozaj vzídu noví pamäťoví králi.
