Теги → reram
Быстрый переход

Колхозы XXI века: китайцы создали новую «коллективную» модель разработки и выпуска полупроводников

Новость от израильского разработчика Weebit о перспективах интереснейшей памяти ReRAM оказалась намного ценнее содержания. Израильтяне сообщили об очередной кооперации с китайцами и попутно вскрыли новейшую и поистине уникальную модель организации в разработке и производстве полупроводников. Выяснилось, что в Китае начинают создаваться виртуальные коммуны для совместных работ от идеи до маркетинга и продаж. Как тебе такое, Илон Маск?

Вкратце о прогрессе Weebit Nano. О разрабатываемой компанией памяти ReRAM мы неоднократно сообщали. Новым шагом в продвижении этой технологии на рынок стал договор о намерениях, подписанный с молодой китайской компанией SiEn Integrated Circuits из Циндао. Согласно предварительной договорённости, SiEn собирается использовать память ReRAM Weebit Nano в широком спектре своих продуктов и выпускать на собственных мощностях в Китае.

А теперь о самом интересном. Компанию SiEn в прошлом году организовал Ричард Чан (Richard Chang). Доктор Ричард Чан ― это отец полупроводникового производства в Китае. Этот ветеран с более чем 30-летним опытом работы в индустрии 20 лет отдал работе в Texas Instruments и за всю свою карьеру создал и управлял свыше 10 производственными компаниями в США, Японии, Сингапуре, Италии, Тайване и Китае.

В конце 90-х Чан продал свой полупроводниковый бизнес на Тайване компании TSMC и переехал на материк. В Китае в 2000 году он создал контрактного производителя полупроводников компанию SMIC. За 20 лет под его руководством SMIC стала четвёртым в мире по величине контрактным производителем полупроводников. И теперь Ричард Чан организовал новую компанию с невообразимой до этого моделью ведения бизнеса.

Итак, компания SiEn стала первой, кто будет реализовать модель Commune Integrated Device Manufacturer (CIDM). Опытное производство полупроводников в рамках новой модели началось в конце 2019 года и будет выведено на полную мощность в 2022 году. Модель CIDM предполагает совместное использование абсолютно всех ресурсов от проектирования до производства чипов и продукции с разделением всех рисков и прибыли. Это такой себе колхоз, только в отдельно взятой области и размазанный по огромной территории.

«Многие специализированные чипы уже давно монополизированы ведущими мировыми производителями полупроводников. В результате основные продукты Китая испытывают серьезный дефицит. Это привело к тому, что за последние годы в Китай были импортированы полупроводниковые интегральные схемы на сумму более 200 миллиардов долларов США», как заявляют в SiEn. Противостоять этому можно только сплотившись и презрев разногласия, хотя в целом это не должно помешать индивидуальному бизнесу каждого из участников сообщества. Интересно, что из этого выйдет.

Panasonic начинает выпускать контроллеры с 40-нм встроенной ReRAM

Резистивная энергонезависимая память незаметно проникает в жизнь. Японская компания Panasonic объявила о начале выпуска микроконтроллеров со встроенной памятью ReRAM с технологическими нормами 40 нм. Но представленный чип интересен также по множеству других причин.

Как сообщает нам пресс-релиз Panasonic, в феврале компания начнёт поставки образцов многофункционального микроконтроллера для защиты вещей с подключением к Интернету от многочисленных киберугроз. Важной особенностью контроллера станет блок встроенной памяти ReRAM объёмом 256 Кбайт.

Память ReRAM опирается на принцип управляемого сопротивления в оксидном слое, что делает её очень устойчивой к облучению. Тем самым данный микроконтроллер будет востребован для управления защитой медицинского оборудования при производстве инструментов и препаратов с использованием радиационного облучения при обеззараживании (стерилизации).

Остановимся ещё немного на ReRAM. Этот тип памяти компания Panasonic разрабатывает около 20 лет, а может даже дольше. К выпуску микроконтроллеров с ReRAM компания приступила в 2013 году с использованием 180-нм техпроцесса. На тот момент ReRAM Panasonic не могла конкурировать с NAND. В последствии для разработки и производства ReRAM с нормами 40 нм компания Panasonic объединилась с тайваньской компанией UMC.

Скорее всего, представленные сегодня микроконтроллеры Panasonic с 40-нм ReRAM выпущены на японских заводах UMC (приобретены несколько лет назад у компании Fujitsu). Встраиваемая 40-нм ReRAM уже может соревноваться с встраиваемой 40-нм NAND по целому ряду параметров: скорости, надёжности, большему числу циклов стирания и устойчивости к радиации.

Что касается основных функций микроконтроллера Panasonic, то он обладает повышенной защитой от взлома и кражи данных. Решение будет применяться в промышленных устройствах и в широком спектре инфраструктуры. В каждый чип встроен уникальный аналоговый идентификатор ― нечто похожее на отпечаток пальца человека. С помощью этого «отпечатка» будет генерироваться уникальный ключ для аутентификации чипа в сети и для передачи (съёма) данных с него. Ключ никогда не выйдет наружу и будет уничтожаться сразу после прохождения аутентификации, что защитит от перехвата ключа в памяти контроллера.

Также микроконтроллер вооружён приёмопередатчиком NFC. Данные с контроллера можно будет считать даже в случае обесточивания устройства, например, если злоумышленники отключили на охраняемом объекте электричество. Кроме того, с помощью NFC и мобильного устройства контроллер (платформу) можно будет подключить к сети Интернет даже без развёртывания специально для этого сети. Слабым местом остаются поставщики услуг Интернет, но это проблема не Panasonic.

Память ReRAM компании Weebit движется к производству с опережением графика

Израильская компания Weebit Nano сообщила, что приближается к коммерческому производству памяти ReRAM (энергонезависимой резистивной памяти) с опережением графика на четыре месяца. Ранее целью Weebit было начать массовый выпуск памяти ReRAM в виде коммерческих продуктов в декабре 2020 года. Даже если производство стартует в обозначенный предыдущими планами срок, опережение графика на этапе подготовки к нему всё равно остаётся положительным результатом. Если что-то пойдёт не так, есть время исправить недочёты.

Weebit Nano

Weebit Nano

Новым пройденным этапом Weebit называет подтверждение характеристик массивов памяти ReRAM на кремниевых пластинах силами сводной команды израильских и китайских инженеров. Пластины с памятью ReRAM на своих опытных линиях выпускает французский институт CEA-Leti. Летом этого года Weebit заключила договор на производство ReRAM на китайском заводе местной компании XTX Technology (создана в 2014 году в Шэньчжэне).

Инженеры XTX подтвердили характеристики памяти ReRAM, став, по сути, независимыми экспертами этих новых электронных приборов. Тем самым компания XTX Technology согласилась и признала пользу интеграции технологии производства ReRAM в собственные фирменные продукты: энергонезависимую память для потребительской электроники, промышленных встраиваемых платформ, а также телекоммуникационного и сетевого оборудования.

Weebit Nano

Weebit Nano

Увы, Weebit и XTX Technology не раскрывают подробностей о протестированной памяти. Ранее стало известно, что CEA-Leti выпускает опытные массивы ReRAM компании Weebit на 200-мм пластинах с использованием 40-нм техпроцесса. Однако партнёры уверяли, что ещё до конца этого года выпустят 28-нм массивы памяти ReRAM. Это массивы для встраиваемой памяти, поэтому не стоит сравнивать её с NAND и 3D NAND для SSD. Память ReRAM по степени масштабирования и по надёжности к износу может заменить встраиваемую NAND, которая как раз осваивает 28-нм техпроцесс.

Также сообщим, что за последний месяц CEA-Leti сумел повысить уровень выпуска годных чипов ReRAM, подготовил три новых патента по производству резистивной памяти и утверждает, что для интеграции массивов ReRAM на кристалл SoC будет достаточно всего одной фотомаски, тогда как массивы eNAND для изготовления требуют от 7 до 10 дополнительных фотомасок.

PlayStation 5 и Xbox Scarlett могут получить скоростной твердотельный кеш наподобие Optane

Компании Sony и Microsoft могут использовать в своих консолях следующего поколения связки из твердотельных накопителей и скоростного кеша наподобие Intel Optane. Это позволило бы применять менее быстрые и более дешёвые накопители, но при этом всё равно получить весьма высокую скорость работы с данными.

Слухи о том, что консоли PlayStation 5 и Xbox Scarlett получат скоростные твердотельные накопители, появились уже довольно давно. Поскольку в основе новых консолей будут лежать процессоры AMD с архитектурой Zen 2, которые изначально поддерживают стандарт PCIe 4.0, то слухи сходились на том, что и SSD в новых консолях будут подключаться через данный интерфейс.

Однако твердотельные накопители с PCIe 4.0 довольно дорогие, поэтому ресурс TweakTown предполагает, что для уменьшения себестоимости консолей Sony и Microsoft могут использовать менее быстрые накопители PCIe 3.0 NVMe или даже SATA. Это всё равно обеспечит значительный прирост скорости по сравнению с жёсткими дисками в актуальных консолях. А чтобы прирост был действительно значительным, новые консоли могут получить дополнительные кеш-накопители наподобие Intel Optane.

В пользу этой теории говорит тот факт, что Sony сама как раз и разрабатывает флеш-память типа ReRAM, которая характеризуется очень высокой скоростью записи и чтения данных. Данная память может работать как Optane, храня в себе наиболее часто используемые файлы и блоки данных, и быстро передавать их CPU или GPU. С таким кешем Sony сможет обеспечить практически мгновенную загрузку игр не то что с накопителями с PCIe 3.0, но и с SATA.

Что касается Microsoft, то она также, возможно, использует некий скоростной кеш на базе флеш-памяти. Недавно компания подтвердила, что применяет твердотельный накопитель Xbox Scarlett в качестве виртуальной видеопамяти. И как раз твердотельный кеш вроде Optane или ReRAM способны успешно дополнять системную память для повышения производительности.

Ещё есть вариант, что в новых консолях будет использоваться многоуровневая подсистема памяти, состоящая не только из твердотельного кеша и SSD, но ещё и из жёсткого диска. Например, в новых консолях может быть установлен 1–2 Тбайт жёсткий диск, твердотельный накопитель NVMe объёмом до 256 Гбайт и быстрый кеш наподобие ReRAM или Optane. И всё это будет объединено в единую систему силами технологии AMD StoreMI.

Но всё это пока что не больше чем домыслы, и как на самом деле будет устроено хранилище данных в консолях нового поколения, мы узнаем позже, либо ближе к их выходу, либо после него.

До конца 2020 года в Южной Корее начнётся массовое производство памяти ReRAM

Как подсказывает сайт Storagenewsletter.com, израильский разработчик памяти ReRAM компания WeeBit Nano уверенно идёт к успеху. В результате выпуска дополнительных акций (WeeBit Nano зарегистрирована на бирже в Австралии) и благодаря другим инвестициям удалось собрать ещё $3,1 млн денежных средств на исследования, разработки и закупку оборудования.

Как мы рассказывали, компания WeeBit Nano разработала технологию производства и ячейку резистивной памяти на основе такого недорогого материала, как оксид кремния (SiOx). Разрабатывать техпроцесс массового производства массивов ReRAM компании WeeBit Nano помогает французский исследовательский институт Leti. В 2017 году совместными усилиями на мощностях Leti на 200-мм пластинах с помощью 300-нм техпроцесса был выпущен опытный массив ReRAM объёмом в несколько Кбайт. Через год технология была улучшена, и партнёры выпустили мегабайтный массив ReRAM в рамках 40-нм техпроцесса. До конца текущего года может выйти новый кремний с массивом ReRAM уже с использованием 28-нм техпроцесса и на 300-мм пластинах. Это уже нечто практичное, что можно внедрять в современное производство.

WeeBit Nano

WeeBit Nano

Как заявляют в WeeBit Nano, некий южнокорейский лидер полупроводникового производства готов начать массовый выпуск памяти ReRAM (или продуктов с памятью ReRAM в виде встраиваемых массивов) ещё до конца 2020 года. Разработчик не называет имени партнёра, но если считать анонс производства ReRAM с нормами 28 нм намёком, то речь может идти о компании Samsung. Обилие новостей о всё более и более интенсивных поисках замены памяти NAND заставляет поверить, что в течение следующих трёх–пяти лет на рынке появится что-то новое, чем может стать память ReRAM, MRAM или PcRAM.

WeeBit Nano

WeeBit Nano

Наконец, памятью ReRAM активно интересуются китайцы. Компания SMIC, например, на этом направлении сотрудничает с компанией Crossbar. Израильская WeeBit Nano также представляет для китайцев интерес, как владеющая близкой к внедрению технологией производства. Так что летом этого года письмо о намерениях о совместной работе с WeeBit Nano подписала китайская компания XTX Technology. Если не Корея, то Китай готов взять на вооружение принципиально новую энергонезависимую память.

GlobalFoundries и сингапурский университет разрабатывают ReRAM

Компания GlobalFoundries полюбовно договорилась с TSMC о сворачивании всех патентных претензий и теперь может спокойно смотреть в будущее. Например, в сторону производства чипов со встроенной памятью ReRAM. Это ведь достойный кандидат для замены традиционной встраиваемой флеш-памяти NAND. Память ReRAM быстрее NAND, намного устойчивее к износу, не требует предварительной операции стирания и обещает дальнейшее сокращение масштаба технологических норм производства, чего не скажешь о NAND. Единственное преимущество памяти NAND ― её умеют производить много и дёшево, что может считаться только временным достоинством.

Пример условной ячейки ReRAM

Пример условной ячейки ReRAM

Как подсказывают наши коллеги с сайта AnandTech, для разработки технологии промышленного производства памяти ReRAM в качестве встраиваемых в чипы блоков компания GlobalFoundries заключила партнёрский договор с сингапурским Наньянским технологическим университетом (Nanyang Technological University) и сингапурским же инвестиционным фондом National Research Foundation. Фонд NRF обязуется в течение четырёх лет оплачивать работу университетской группы по данному проекту. Сумма договора достигает эквивалента $88 млн. Компания GlobalFoundries, со своей стороны, на основе разработки будет создавать техпроцесс для промышленного внедрения технологии производства ReRAM.

Упомянутый выше перекрёстный лицензионный договор с TSMC будет очень кстати в свете поворота GlobalFoundries к памяти ReRAM. Тайваньский контрактник несколько последних лет активно занимается темой разработки техпроцесса для выпуска встраиваемой ReRAM. Можно рассчитывать, что в только что заключённом 10-летнем договоре о перекрёстном лицензировании патентов обе стороны учли это направление.

Разнообразие планов GlobalFoundries по эксплуатации разных видов энергонезависимой памяти

Разнообразие планов GlobalFoundries по эксплуатации разных видов энергонезависимой памяти

В  то же время память ReRAM не является для GlobalFoundries исключительным направлением для поиска замены NAND. Производитель смог довести до массового производства магниторезистивную память (MRAM) и готовится выпускать блоки из этой памяти в качестве встраиваемых. Но у MRAM есть недостатки, которых нет у ReRAM. Память MRAM боится низких рабочих температур и страдает от низкой плотности записи. По этим и другим причинам она пока не стала массовой, а станет или нет ― это зависит от проницательности учёных.

Applied Materials выпустила оборудование для массового производства MRAM, ReRAM и PCRAM

Компания Applied Materials ― один из ведущих поставщиков производственного оборудования для выпуска полупроводников ― начала поставлять передовые и уникальные машины для обработки кремниевых пластин. Это установки Endura Clover и Endura Impulse. Каждая из них представляет собой платформу с девятью независимыми камерами для помещения внутрь 300-мм кремниевых подложек (пластин). Все камеры способны удерживать максимально полный и чистый вакуум, в котором происходит последовательное осаждение рабочих материалов из газового состояния на кремниевую пластину.

Устновка Applied Materials

Установка Applied Materials Endura Clover

Сами по себе камеры для осаждения материала из газовой среды не являются чем-то новым. Уникальность предложения Applied Materials в том, что камер для 300-мм пластин с возможностью депонирования материалов для массового выпуска новейших видов энергонезависимой памяти MRAM, ReRAM и PCRAM до сих пор не было. Установка Endura Clover позволяет выпускать магниторезистивную память MRAM, а установка Endura Impulse нацелена на производство магниторезистивной памяти ReRAM и памяти с изменяемым фазовым состоянием вещества PCRAM.

Платформа Endura Clover MRAM даёт возможность осаждать на кремниевые пластины до пяти независимых материалов на каждую из девяти камер. Изготовление памяти MRAM в современных условиях требует создания на пластине не менее 30 различных слоёв толщиной в доли нанометров с субатомарной точностью. Новая установка позволяет проводить подобные операции без риска опасных утечек в окружающую среду. Платформа Endura Impulse позволяет совершать подобные операции, но уже с учётом комбинации материалов, необходимых для производства памяти ReRAM и PCRAM. При этом каждая из платформ наделена системами диагностики процессов и продукции, что необходимо для массового производства.


Добавим, компания Applied Materials участвует в программе DARPA ERI по возрождению производства электроники в США. В рамках программы ERI компания занимается проблемами создания технологий для производства новых видов энергонезависимой памяти. Память MRAM, ReRAM и PCRAM должны повысить энергоэффективность процессов вычисления мобильных, встраиваемых и стационарных компьютерных систем, включая перенос вычислительных процессов в память. Как видим, она с этим неплохо справляется.

Microsemi готовится создавать решения с памятью ReRAM

Резистивная энергонезависимая память ReRAM понемногу прокладывает себе дорогу в мир. Пока использование ReRAM в продуктах носит опытный характер, но через год или два всё может измениться в сторону более широкого использования этого нового типа энергонезависимой памяти в электронике и компьютерной технике.

Так, изобретатель одной из перспективных версий ReRAM компания Crossbar сообщила, что между ней и крупным американским разработчиком электронных компонентов компанией Microsemi подписан лицензионный договор на передачу необходимой для выпуска продукции интеллектуальной собственности. Также партнёры будут совместно разрабатывать продукцию со встроенной памятью ReRAM класса 10 нм (в диапазоне от 19 до 10 нм), которая пополнит ассортимент Microsemi, а он также включает чипы военного назначения и решения для аэрокосмической отрасли.

Сфера интереса Microsemi (Microsemi)

Сфера интереса Microsemi (Microsemi)

К сожалению, Crossbar не прояснила, кто будет выпускать 10-нм электронику Microsemi со встроенной памятью ReRAM. Производство в Китае для этого явно не подходит, ведь Microsemi завязана на оборонный сектор США. Хотя в Китае у Crossbar есть официальный производственный партнёр в лице крупнейшего местного контрактного производителя полупроводников компании SMIC. В то же время SMIC освоила производство встраиваемой ReRAM с нормами 40 нм, а Crossbar и Microsemi надо идти дальше. Остаётся GlobalFoundries с бывшими заводами IBM? Будет интересно узнать.

Переход со встраиваемой памяти NAND на ReRAM обещает снижение задержек при чтении (до 10 нс) и записи (до 10 мкс). Устойчивость ячеек к износу увеличится с нескольких десятков тысяч до миллиона. При этом ячейка ReRAM не требует предварительной операции по очистке, а массив ячеек не нужно подвергать операциям выравнивания. Такая память работает быстрее и лучше всего подходит для концепции «памяти в процессоре», когда архитектура чипа строится по подобию мозга человека, где нет отдельно памяти и процессора.

ReRAM - это просто и изящно ()

ReRAM — это просто и изящно (Crossbar)

Кстати, 23 мая на конференции Embedded Vision Summit компания Crossbar покажет решение для ИИ со встроенной памятью ReRAM. Мы надеемся позже подробнее рассказать о разработке, а пока уточним, что некий специализированный процессор с памятью ReRAM, в которую загружается модель нейронной сети FaceNet, способен автономно и от батарейного питания вести распознавание лиц или объектов с возможностью обновления списка объектов распознавания. Память ReRAM в данном случае является той памятью в процессоре, которая позволяет реализовать компактную автономную платформу, в чём окажутся слабы NAND, 3D XPoint и обычная DRAM (HBM).

Представлен образец ReRAM с высокой устойчивостью к износу

В мае прошлого года мы рассказывали об израильском стартапе Weebit Nano, который за два года из никому не известной группы инженеров превратился в компанию с акциями, котирующимися на Австралийской бирже. Весной 2016 года произошло так называемое обратное поглощение, когда австралийская компания Radar Iron поглотила Weebit Nano и прекратила своё существование. Тогда же (летом 2016 года) председателем совета директоров Weebit Nano был назначен хорошо известный нам бывший главный микропроцессорный архитектор компании Intel Дэвид (Дэди) Перлмуттер (David Perlmutter). Авторитет Weebit Nano взлетел до невиданных высот. Очевидно, они движутся в правильном направлении.

Дэвид Перлмуттер (David Perlmutter) на IDF 2012 (Intel)

Дэвид Перлмуттер (David Perlmutter) на IDF 2012 (Intel)

Направление Weebit Nano — это разработка доступных техпроцессов по производству памяти ReRAM. Ярче всех на фоне ReRAM отметилась компания HP со своим мифическим мемристором. Но и только. В массовое производство мемристор не пошёл. Параллельно разработку технологии производства ReRAM ведут практически все известные и масса малоизвестных компаний. Израильская Weebit Nano поступила проще. Они приобрели ряд ключевых патентов на ячейку ReRAM у профессора Университета Райса Джеймса Тура (James Tour). На основе патентов в 2015 году была предложена технология производства ReRAM, а в ноябре этого года опытное производство института Leti в Гренобле выпустило опытный образец с массивом ReRAM Weebit ёмкостью 4 Кбит с ячейкой размерами 300 нм.

По признанию разработчиков, за два года пройден путь, на который обычно уходит от 7 до 10 лет. Опытный кремний позволяет оценить характеристики памяти и подтвердить соответствие технологий актуальным техпроцессам. Разработка Weebit интересна тем, что в основе рабочего слоя ячейки лежит доступный и недорогой оксид кремния SiOx, а не какие-то экзотические материалы (хотя использование классического диоксида кремния было бы вообще замечательно, но, похоже, это не так).

Непростая по строению память ReRAM Sony и Micron (структура в разрезе, изображение двух соседних ячеек)

Непростая по строению память ReRAM Sony и Micron (структура в разрезе, изображение двух соседних ячеек)

Опытные испытания 4-Кбит массива ReRAM показали, что ячейка не теряет данных при нагреве до 150, 200 и 260 градусов по Цельсию. Согласно индустриальным стандартам, при нагреве данные должны сохраняться 15 минут. Это время и температура, необходимые на пайку микросхем при поверхностном монтаже. При нагреве опытная память сохраняла данные до 30 минут, что позволит организовать с ней несколько циклов пайки.

Простая по строению но со сложным переходом ячейка памяти ReRAM компании 4DS (4DS)

Простая по строению но со сложным переходом ячейка памяти ReRAM компании 4DS (4DS)

Кроме этого тесты и экстраполяция полученных данных показали, что ячейка ReRAM может удерживать данные не менее 10 лет, что тоже соответствует индустриальному стандарту. Также испытания показали, что ячейка ReRAM выдерживает намного больше циклов перезаписи, чем NAND-флеш. До конца года компания Weebit обещает представить технологию производства ReRAM с 40-нм ячейкой. Это ещё не коммерциализация технологии, но темп движения к ней обнадёживает.

Sony улучшила плотность и надёжность фирменной памяти ReRAM

Как мы сообщали, с 2013 года компания Sony совместно с компанией Micron разрабатывает фирменную память типа ReRAM (резистивная память со случайным доступом). Предложенная партнёрами конструкция ячейки ReRAM выглядит как одна из самых прогрессивных в индустрии, а память ReRAM сегодня не разрабатывает только ленивый.

Память RRAM Sony и Micron (структура в разрезе, изображение двух соседних ячеек)

Сравнение теоретических и полученных опытным путём рабочих характеристик 16-Гбит ReRAM Sony

Согласно обнародованной информации, образцы 27-нм 16-Гбит чипов ReRAM Sony/Micron в режиме чтения работали со скоростью до 900 Мбайт/с, а в режиме записи — до 180 Мбайт/с (речь идёт только об одной микросхеме, а не о банке памяти!). Задержки чтения не превышали 2 мкс, а задержки записи — не более 10 мкс. Но самое важное, что площадь ячейки ReRAM Sony была равна относительному значению 6F2. Меньше площадь только у ячейки памяти DRAM, значение которой равно 4F2. Это означает, что память ReRAM может быть такой же плотной, как оперативная память для ПК. До сих пор с плотностью записи у новейших видов энергонезависимой памяти было всё очень плохо. Поэтому на разработку Sony возложены определённые надежды.

Память ReRAM Sony и Micron (структура в разрезе, изображение двух соседних ячеек)

Память ReRAM Sony и Micron (структура в разрезе, изображение двух соседних ячеек)

На недавнем симпозиуме VLSI Technology 2017 компания Sony сообщила, что она улучшила ячейку ReRAM, значительно уменьшив площадь решения. Новая разработка позволяет создавать ячейку резистивной памяти такой же площади — 4F2, как и ячейка DRAM. Определённо — это рекорд. С такой площадью в стековой компоновке из двух рабочих слоёв с размещением 2000 × 2000 элементов в каждом слое и с использованием 20-нм техпроцесса можно выпускать чипы ReRAM ёмкостью 100 Гбит.

Структурная схема модернизированной ячейки ReRAM Sony

Структурная схема модернизированной ячейки ReRAM Sony

Уменьшить площадь ячейки ReRAM удалось за счёт некоторой модернизации её структуры. Так, в составе ячейки появился разделитель, отсекающий «резервуар для ионов» от электролита «источника ионов». Барьер позволяет устранить неравномерность сопротивления, создающегося в рабочем слое (предотвращает взаимную миграцию ионов меди из рабочего слоя в слой-источник). Поскольку опасность неравномерности устранена, рабочие размеры (площадь) ячейки можно уменьшить без риска потерять данные или усложнить процесс их восстановления.

Характеристики управляющего элемента и его структура после легирования бором и углеродом

Характеристики управляющего элемента и его структура после легирования бором и углеродом

Другим нововведением в технологию производства ReRAM Sony стало дополнительное легирование переключающего элемента (переключателя Овшинского на основе халькогенидных плёнок) бором и углеродом. Это дало возможность снизить напряжение переключения управляющего ячейкой памяти элемента и, соответственно, уменьшить токи утечек. Устойчивость к износу такой памяти ReRAM разработчики оценивают на фантастическом для NAND уровне — порядка 10 млн циклов стирания. О сроках перехода к массовому производству разработки, увы, не сообщается. Есть мнение, что раньше 2020 года память ReRAM в виде отдельной памяти на рынке не появится.

ReRAM 4DS такая же быстрая, как DRAM

Молодая австралийская компания 4DS Memory Limited продолжает совершенствовать энергонезависимую память типа ReRAM (резистивную с произвольным доступом). К сегодняшнему дню представлено достаточно много вариантов резистивной памяти. Некоторые даже склонны видеть ReRAM в памяти Intel 3D XPoint, хотя последняя использует ячейку с изменяемым фазовым состоянием вещества.

Большинство версий ReRAM, если мы говорим о ячейке с изменяемым сопротивлением, опираются на такое явление, как обратимое создание в структуре рабочего слоя ячейки устойчивых токопроводящих нитей из ионов меди, серебра или других металлов. Ячейка ReRAM компании 4DS Memory работает по другому принципу. Она полностью меняет своё сопротивление под воздействием тока сразу во всём рабочем слое. Технология так и называется «Interface Switching ReRAM», а запатентованная ячейка носит название MOHJO (Metal Oxide Hetero Junction, металл оксидный переход с противоположными состояниями).

Общий принцип организации перекрёстной памяти RRAM (Crossbar)

Общий принцип организации перекрёстной памяти ReRAM (Crossbar)

Общая проблема памяти ReRAM, утверждают в компании 4DS Memory, заключается в слишком больших задержках в режимах чтения. Это не позволяет ReRAM стать полноценным заменителем памяти типа DRAM и привнести в работу оперативной памяти энергонезависимость. Суть проблемы в том, что образование токопроводящих нитей в ячейке ReRAM несколько непредсказуемо, что связано с неоднородностями в материале рабочего слоя. Утрируя, всегда что-то может пойти не так. Во-первых, для гарантированного образования ионизированных каналов потребуется увеличить рабочий ток. Во-вторых, существенно усложнить механизмы коррекции ошибок. Последнее ведёт к существенным задержкам в процессе восстановления данных.

Состав ячейки памяти ReRAM компании 4DS (4DS)

Состав ячейки памяти ReRAM компании 4DS (4DS)

Память 4DS ReRAM свободна от «случайностей» в процессе работы с ячейками памяти. Рабочий слой ячейки 4DS полностью переключается из одного состояния в другое и не зависит от возможных неоднородностей. Это устраняет необходимость в корректировке рабочих токов (уменьшает разброс параметров) и ведёт к очень простому механизму коррекции ошибок без заметных задержек. Испытания показали, что по скорости работы память 4DS ReRAM приближается к скорости работы оперативной памяти DRAM.

Обновлённая запатентованная ячейка памяти ReRAM компании 4DS (4DS)

Обновлённая запатентованная ячейка памяти ReRAM компании 4DS (4DS)

И что нам с этой разработки малоизвестной австралийской компании, спросят читатели? Дело в том, что с компанией 4DS Memory несколько лет подряд тесно работает подразделение Hitachi GST компании Western Digital. Более того, между Hitachi GST и 4DS Memory заключено стратегическое соглашение о партнёрстве, что позволяет рассчитывать на относительно скорое появление ReRAM в виде коммерческих продуктов. Произойдёт это не завтра, но в течение трёх–пяти лет можно ожидать появления первых продуктов на основе ReRAM.

Российская разработка может стать основой памяти ReRAM

Специалисты Центра коллективного пользования Московского физико-технического института (МФТИ) предложили новую технологию, которая в перспективе может быть применена при изготовлении памяти ReRAM.

Напомним, что ReRAM (или RRAM) — это резистивная память с произвольным доступом. Изделия данного типа обеспечивают быстродействие, сопоставимое с DRAM, но при этом могут хранить информацию в отсутствии питания, то есть являются энергонезависимыми. Если сравнивать с флеш-памятью NAND, то чипы ReRAM оказываются существенно быстрее и расходуют меньше энергии в активном режиме.

Принцип работы ReRAM заключается в изменении сопротивления ячейки памяти под действием приложенного напряжения. За счёт этого высокое и низкое сопротивления ячейки могут быть использованы для хранения информации.

Функциональной основой ReRAM-ячейки является структура металл-диэлектрик-металл. В качестве диэлектрического слоя применяются оксиды переходных металлов (HfO2, Ta2O6). В этом случае приложенное к ячейке напряжение приводит к миграции кислорода, что вызывает изменение сопротивления всей структуры. Таким образом, управление концентрацией кислорода в оксиде является важнейшим параметром, который определяет функциональные свойства ячеек памяти.

Центр коллективного пользования МФТИ

Центр коллективного пользования МФТИ

Однако на практике память ReRAM пока не может вытеснить широко распространённую NAND-флеш. Одна из причин заключается в том, что для производства флеш-памяти можно использовать трёхмерные массивы ячеек. В то же время методы создания плёнок с дефицитом кислорода, используемые для ReRAM, не подходят для нанесения функциональных слоёв на трёхмерные структуры.

Российские учёные предлагают решить проблему за счёт метода атомно-слоевого осаждения — нанесения тонких плёнок, обусловленного протеканием химических реакций на поверхности образца. Исследователи уже научились управлять концентрацией кислорода в плёнках оксида тантала, получаемых посредством названного метода. Подробнее о работе можно узнать здесь

Panasonic и UMC начнут выпуск серийных контроллеров с ReRAM в 2019 году

Похоже, что энергонезависимая резистивная память ReRAM всё-таки появится на рынке до 2020 года. На этом этапе, скорее всего, ReRAM заменит NAND-флэш в составе микроконтроллеров. Потребление ReRAM примерно в семь раз меньше, чем у NAND, а быстродействие приближается к скорости работы DRAM. К тому же ReRAM выдерживает на порядок больше циклов перезаписи, чем NAND. Все эти качества должны помочь появлению новой памяти в носимых устройствах и датчиках с подключением к Интернету.

Преимущество ReRAM над многослойной NAND (слайд из презентации Western Digital на FMS)

Преимущество ReRAM над многослойной NAND (слайд из презентации Western Digital на FMS)

Образцы встраиваемой памяти ReRAM с использованием 40-нм техпроцесса недавно начала выпускать китайская компания SMIC. На сегодня это одна из самых передовых разработок, добравшихся до стадии предсерийного производства. Но ещё в 2013 году микроконтроллеры с блоком ReRAM начала выпускать японская компания Panasonic. К сожалению, они выпускались с использованием 180-нм техпроцесса и не могли похвастаться каким-то выигрышем перед памятью NAND-флэш. Чтобы вывести выпуск контроллеров со встроенной памятью ReRAM на новый уровень, Panasonic собирается привлечь к разработке тайваньского контрактного производителя полупроводников — компанию UMC.

Общий принцип организации перекрёстной памяти RRAM (Crossbar)

Общий принцип организации перекрёстной памяти RRAM (Crossbar)

Как сообщает японское ИА Nikkei, Panasonic и UMC начинают совместную разработку технологий для производства контроллеров со встроенной памятью ReRAM на базе 40-нм техпроцесса. У японских компаний отсутствуют передовые «домашние» техпроцессы для выпуска полупроводников. Та же компания Fujitsu летом 2014 года лицензировала у UMC техпроцесс с нормами 40 нм. У Panasonic тоже нет производства подобной сложности, на пару с UMC она обещает начать поставку образцов микроконтроллеров с ReRAM в 2018 году, а массовое производство новинок организовать в 2019 году.

Первый серийный контроллер Panasonic со встроенной памятью ReRAM (Panasonic)

Первый серийный контроллер Panasonic со встроенной памятью ReRAM (Panasonic)

В планах партнёров значится быстро начать зарабатывать на новом направлении — сразу же до $44 млн в год (до 5 млрд иен). С блоками ReRAM компания Panasonic рассчитывает поставлять чипы для паспортов, датчики для служб безопасности, контроллеры для носимой электроники (часов и прочего), а также спектр продукции для промышленной электроники.

Для наших читателей интереснейшим применением ReRAM стал бы выход SSD-накопителей на перспективной памяти. Увы, дешёвой альтернативы NAND пока нет. Первой попыткой выпустить твердотельные накопители не на базе традиционной флеш-памяти можно считать выход SSD Intel Optane и Micron QuantX (оба варианта на условно резистивной памяти 3D XPoint). Компания Panasonic вряд ли к этому приблизится раньше первой половины следующего десятилетия. Мифический элемент мемристор компании HP также буксует. Возможно, прорывом может стать совместная разработка ReRAM HP и SanDisk, объявленная в 2015 году (сейчас место SanDisk, вероятно, заняла компания Western Digital).

Спецификации первых накопителей (кеш-ускорителей) Intel Optane

Ещё дальше от практической реализации разработки компании IBM. Последняя предложила «жидкий транзистор» с каплей ионизированной жидкости. Наконец, собственные версии ReRAM есть у компаний Toshiba, SK Hynix и Samsung, но все они, за исключением Toshiba, предпочитают хранить молчание о возможных сроках выхода на рынок. Что касается Toshiba, то она обещает приступить к производству ReRAM после 2020 года. 

Китайская SMIC приступила к поставкам образцов памяти ReRAM

Молодая американская компания Crossbar (Санта-Клара, штат Калифорния) сообщила о доступности первых серийных образцов энергонезависимой памяти нового типа. Это так называемая резистивная RAM или ReRAM, один из вариантов которой разработала компания Crossbar. Сама она не будет выпускать ReRAM, хотя в партнёрстве с кем-либо из крупных брендов готова этим заниматься. Например, если бы такое предложение поступило от компании Western Digital. В настоящий момент Crossbar занимается лицензирование собственной разработки всем заинтересованным компаниям и мечтает стать ARM в мире памяти.

Реальный образец памяти RRAM (Crossbar)

Реальный образец памяти RRAM (Crossbar)

Лицензия на производство памяти ReRAM была предоставлена китайской компании SMIC в марте прошлого года. К этому дню, как уже сказано выше, SMIC приступила к поставкам рабочих образцов кристаллов ReRAM. Резистивная память выпускается с использованием 40-нм техпроцесса, а в течение первой половины текущего года обещают выйти 28-нм образцы ReRAM. Полученные образцы помогут компании Crossbar разработать технологию встраиваемой в микроконтроллеры и SoC памяти ReRAM. Запрос на это очень высок, ведь резистивная память устойчива к перезаписи и может выдерживать до 100 000 циклов записи.

Общий принцип организации перекрёстной памяти RRAM (Crossbar)

Общий принцип организации перекрёстной памяти RRAM (Crossbar)

Благодаря своим характеристикам память ReRAM потенциально способна заменить память NOR-флеш, оптимизированную для запуска кода, и память NAND-флеш, которая сегодня в массе используется для хранения данных. Так, если задержки при обращении к памяти NAND-типа достигают миллисекунд, то задержки при чтении из ячейки ReRAM равны 20 нс, а задержки на запись в ReRAM не превышают 12 нс. При этом память ReRAM перед записью не надо очищать, что упрощает структуру сигнала и сокращает время на операции.

Принцип работы ячейки памяти ReRAM компании Crossbar (Crossbar)

Принцип работы ячейки памяти ReRAM компании Crossbar (Crossbar)

В заключение напомним, что память ReRAM компании Crossbar работает на принципе управляемого формирования нитей из ионов серебра в рабочем слое из аморфного кремния. Рабочее напряжение одной полярности заставляет ионы серебра мигрировать в рабочий слой из серебряных электродов снаружи ячеек, а рабочее напряжение обратной полярности возвращает ионы серебра обратно в электроды. Напряжение с невысоким значением считывает состояние ячеек. Таких состояний, кстати, может быть несколько, и, соответственно, в каждой ячейке может храниться несколько бит данных. Также такую память можно выпускать в виде многослойного стека. Одним словом — очень перспективная разработка и очень хорошо, что её сегодня могут пощупать все желающие производители. Авось кому-то понравится.

Western Digital рассматривает несколько вариантов памяти ReRAM

В августе этого года на форуме Flash Memory Summit корпорация Western Digital объявила о планах использовать резистивную память с произвольным доступом (restistive random access memory, ReRAM) в качестве памяти для SSD-накопителей c повышенной производительностью. Это так называемые SCM-накопители (storage class memory), которые должны занять промежуточное положение между DRAM и классическими твердотельными накопителями. Память типа ReRAM должна идеально подходить для этой задачи, поскольку она обещает сочетать скорости доступа, близкие к характеристикам памяти DRAM и при этом быть энергонезависимой.

Слайд из презентации Western Digital на FMS

Слайд из презентации Western Digital на FMS

Из скупого на подробности доклада представителей компании Western Digital можно было представить, что новый класс твердотельных накопителей будет опираться на разработки компаний SanDisk и Toshiba. И действительно, компании SanDisk и Toshiba уже три года назад могли похвастаться опытными экземплярами 32-Гбит памяти ReRAM, а год назад SanDisk и HP подписали договор о совместной разработке памяти ReRAM. С мая этого года компания SanDisk перешла в собственность компании Western Digital, что автоматически перевело её разработки в руки нового владельца. Однако на днях появилась информация, что компания Western Digital держит руку на пульсе у ещё одной технологии ReRAM.

Слайд из презентации Western Digital на FMS

Слайд из презентации Western Digital на FMS

Как стало известно, такое подразделение Western Digital, как Hitachi GST, два года подряд работает с молодой австралийской компанией 4DS. Летом нынешнего года HGST и 4DS заключили ещё один договор о совместных работах на следующий год. Суть работ заключается в повышении надёжности хранения данных в ячейке памяти ReRAM и в разработке технологий, увеличивающих число циклов стирания ячеек ReRAM. Очевидно, что разработки 4DS — это независимый проект, а не совершенствование разработок SanDisk и Toshiba. Это подводит нас к тому, что Western Digital рассматривают несколько вариантов памяти ReRAM. Впрочем, это неудивительно. Сегодня наберётся не менее двух десятков различных технологий работы резистивной памяти с произвольным доступом.

Структура ячейки ReRAM компании 4DS (4DS)

Структура ячейки ReRAM компании 4DS (4DS)

По словам руководства 4DS, разработка компании выгодно отличается от конкурирующих вариантов. Во-первых, само строение ячейки ReRAM 4DS обещает бóльшую плотность записи по сравнению с памятью 3D NAND в случае использования одинакового техпроцесса. Уточним, компания 4DS экспериментирует с ячейками ReRAM, выпущенными в рамках 40-нм техпроцесса, тогда как память 3D NAND сегодня массово выпускается с использованием  техпроцессов в диапазоне от 45 до 50 нм.

Состав ячейки памяти ReRAM компании 4DS (4DS)

Состав ячейки памяти ReRAM компании 4DS (4DS)

Другим преимуществом разработки 4DS называется реализованный принцип работы памяти. Это память с переключением рабочего слоя, когда сопротивление ячейки меняется сразу во всём рабочем слое (Interface Switching ReRAM или Non-Filamentary ReRAM). Альтернативой этому может служить память с образованием нитевидных токопроводящих «волокон» из ионов серебра в рабочем слое ячейки. Такую память разработала компания Crossbar и, что важно, о готовности производства памяти Crossbar ReRAM с использованием 40-нм техпроцесса уже сообщил крупнейший в Китае контрактный производитель — компания SMIC. Похоже, на этом направлении становится жарко. Но разве нам об этом жалеть?

window-new
Soft
Hard
Тренды 🔥