Tương lai của trí nhớ là gì? MRAM hứa hẹn nhất

FRAM, được phát minh vào năm 1952, là bộ nhớ mới nổi lâu đời nhất. Ngày nay, hơn 4 tỷ chip FRAM được cài đặt trong nhiều thiết bị khác nhau. Mặc dù có tên là sắt nhưng FRAM không sử dụng bất kỳ loại sắt nào. Nó chỉ có một vòng trễ tương tự như hiện tượng sắt từ, và vòng trễ này cho phép nó lưu trữ dữ liệu.

Nguyên tắc của FRAM là sử dụng các tính chất độc đáo của một số mạng tinh thể Tính chất vật lý, trong vật liệu sắt điện, các nguyên tử có thể chiếm một trong hai vị trí ổn định trong mạng và điện trường di chuyển các nguyên tử di động trong mạng đến một trong hai vị trí ổn định, tùy thuộc vào cực tính của điện trường và một số tính chất vật lý (có thể là điện dung hoặc điện trở), tùy thuộc vào vị trí của nguyên tử bị bẫy.

Hiện tại có rất nhiều nhà sản xuất vẫn sản xuất FRAM. Ví dụ: Infineon chủ yếu sản xuất chip FRAM rời, trong khi Texas Instruments và Fujitsu nhúng công nghệ này vào MCU. Fujitsu cũng nhúng FRAM vào vé tàu điện ngầm. Lý do chính cho việc sử dụng này là mức tiêu thụ năng lượng ghi của FRAM tương đối thấp nhất trong số các công nghệ lưu trữ.

Tại sao FRAM được phát minh lâu đến vậy, sau khi sản xuất hàng tỷ con chip vẫn chưa được biết đến và nó vẫn được liệt vào danh sách công nghệ lưu trữ mới nổi?

Lý do là FRAM trước đây chủ yếu dựa trên chì zirconate titanate (PZT) và strontium bismuth tantalate (SBT), nhưng cả hai vật liệu đều chứa chì hoặc bismuth, sẽ gây ô nhiễm cho nhà máy, do đó hạn chế năng lực sản xuất. May mắn thay, vào năm 2011, người ta đã phát hiện ra rằng hafnium oxit (HfO) có đặc tính sắt điện trong những điều kiện nhất định. HfO là cơ sở của chất điện môi cổng K cao được sử dụng trong FinFET. Nó không chỉ giải quyết vấn đề năng lực sản xuất mà còn không gây ô nhiễm. Vì vậy, dù HfO chưa được sử dụng chính thức vào sản xuất nhưng triển vọng trong tương lai rất tươi sáng.

So với bộ nhớ flash, ưu điểm của FRAM bao gồm mức tiêu thụ điện năng thấp hơn, tốc độ ghi nhanh hơn và độ bền đọc/ghi tối đa cao hơn. FRAM có thời gian lưu giữ dữ liệu hơn 10 năm ở +85°C (lên đến hàng chục năm ở nhiệt độ thấp hơn), nhưng nó cũng có nhược điểm riêng, đó là mật độ lưu trữ thấp hơn nhiều so với các thiết bị bộ nhớ flash, dung lượng lưu trữ hạn chế và giá thành cao hơn. Tính đến năm 2021, kích thước lưu trữ (mật độ) chip được bán bởi các nhà cung cấp khác nhau không vượt quá 16Mb.

Hiện tại, FRAM hiện đang được nhúng vào chip thông qua công nghệ CMOS, cho phép MCU có bộ nhớ FRAM riêng, có ít giai đoạn hơn mức cần thiết để nhúng bộ nhớ flash vào chip MCU, do đó giảm đáng kể chi phí.

02

PCM

Do Intel ra mắt bộ nhớ Optane, bộ nhớ thay đổi pha (PCM hoặc P RAM) từ lâu đã dẫn đầu về doanh thu trong số các công nghệ bộ nhớ mới nổi. Trên thực tế, ngay từ năm 1970, Gordon Moore, Ron Neale và D-L Nelson của Intel đã cùng viết một bài báo về nguyên mẫu PCM 256-bit. Lịch sử nghiên cứu và phát triển của nó lâu dài và không thua kém các công nghệ lưu trữ khác.

Nguồn gốc của PCM có thể bắt nguồn từ năm 1960, khi Ovshinsky thành lập Phòng thí nghiệm Chuyển đổi Năng lượng để nghiên cứu các vật liệu vô định hình và đặc tính chuyển pha của chúng. Phòng thí nghiệm được đổi tên thành Thiết bị chuyển đổi năng lượng (ECD) vào năm 1964, và một trong nhiều cải tiến của Ovshinsky là bộ nhớ thay đổi pha Ovonics được đặt theo tên ông. Intel cuối cùng đã hợp tác với ECD để có được giấy phép sở hữu trí tuệ cho bộ nhớ thay đổi pha Ovonics và chính thức phát hành 3DXPointPCM vào năm 2015.

Ngoại trừ Intel, STMicroelectronics đã sản xuất bộ vi điều khiển (MCU) với bộ nhớ chương trình PCM, và các nhà sản xuất bộ lưu trữ như Samsung và Micron cũng sản xuất hàng loạt các sản phẩm thay thế bộ nhớ flash PCMNOR hơn mười năm trước, nhưng sự tồn tại của những sản phẩm này khá ngắn.

PCM dựa trên vật liệu thủy tinh được đặt trên chip logic CMOS tiêu chuẩn. Vật liệu này thay đổi trạng thái theo đặc tính của kính. Thủy tinh chuyển từ trạng thái kết tinh sang trạng thái vô định hình, tương ứng với trạng thái dẫn điện hoặc điện trở. Có hai cách để tăng dung lượng lưu trữ: một là xếp chồng ba chiều, vốn là trọng tâm của Intel và Micron, và hai là công nghệ đa giá trị, trong đó IBM đã có những bước tiến đột phá.

So với bộ nhớ flash, PCM có nhiều ưu điểm, chẳng hạn như khả năng nhúng mạnh mẽ, đặc tính có thể ghi lại tuyệt vời, độ ổn định tốt và khả năng tương thích với các quy trình CMOS. Trên thực tế, cho đến nay, chưa có giới hạn vật lý rõ ràng nào được tìm thấy đối với PCM. Khi độ dày của vật liệu chuyển pha giảm xuống còn 2nm, thiết bị vẫn có thể trải qua quá trình chuyển pha.

Ưu điểm lớn nhất của PCM là nó có thể sử dụng cấu hình điểm chéo để lưu trữ dữ liệu tại giao điểm của hai đường dẫn trực giao, tạo điều kiện thuận lợi cho việc xếp chồng, do đó làm cho kích thước chip và chi phí sản xuất thấp hơn bất kỳ công nghệ hoàn thiện nào ngoại trừ 3DNAND.

Nhưng PCM cũng có những khuyết điểm không thể bỏ qua. Nhiệt vẫn là một vấn đề lớn. Mặc dù bộ nhớ ổn định về nhiệt và có thể xử lý các ứng dụng ở nhiệt độ cao, nhưng nhiệt sinh ra khi lập trình một ô có thể ảnh hưởng đến các ô lân cận. Hệ thống sưởi cục bộ có thể gây ra những khoảng trống phía trên pin. Ngoài ra, khả năng lưu trữ và phát hiện nhiều bit trên mỗi ô của bộ nhớ flash mang lại lợi thế về dung lượng lưu trữ so với PCM.

Trong những năm gần đây, mọi người bắt đầu quan tâm đến ứng dụng PCM trong điện toán trong bộ nhớ. Ý tưởng là thực hiện các tác vụ tính toán, chẳng hạn như phép nhân ma trận-vector, trong chính mảng bộ nhớ bằng cách tận dụng khả năng lưu trữ tương tự của PCM và định luật mạch Kirchhoff. Vào năm 2021, IBM đã phát hành lõi điện toán bộ nhớ hoàn thiện dựa trên PCM đa cấp được tích hợp trong nút công nghệ CMOS 14nm.

03

MRAM

RAM từ tính (M RAM) là công nghệ dựa trên nguyên tắc vật lý của tất cả các hoạt động ghi từ tính (đĩa cứng, băng từ, v.v.), nhưng phương pháp ứng dụng của nó loại bỏ các yếu tố cơ học. Tính đến thời điểm hiện tại, Everspin, một công ty được thành lập nhờ kết quả nghiên cứu của Motorola và Freescale, là công ty dẫn đầu về công nghệ này, với thu nhập hoạt động là 44 triệu USD vào năm 2021.

Ngoài ra, Avalanche và Numem gần đây đã gia nhập hàng ngũ sản xuất MRAM và các xưởng đúc như TSMC, GlobalFoundries và Samsung đã triển khai các quy trình MRAM nhúng. Hiện tại, các quy trình MRAM đã bắt đầu được sử dụng trong SoC cho các ứng dụng IoT và các thiết bị năng lượng siêu nhỏ.

Có nhiều loại MRAM nhưng cấu trúc của chúng đều rất giống nhau. Tất cả chúng đều sử dụng lớp coban và magie như một sự kết hợp giữa cảm biến từ điện trở (GMR) khổng lồ và các bộ phận chuyển mạch từ. Chúng cũng được sử dụng rộng rãi trong các đầu đọc/ghi đĩa cứng. Ưu điểm chính của họ là tốc độ. Nhiều người đã tưởng tượng rằng MRAM có thể thay thế SRAM tốc độ cao trong tương lai.

Sau nhiều năm nghiên cứu, MRAM đã được chia thành nhiều loại và lộ trình khác nhau: STT-MRAM giải quyết hiệu quả vấn đề bộ nhớ SRAM "rò rỉ" năng lượng khi không hoạt động; SOT-MRAM cải thiện đáng kể độ bền và độ ổn định đọc của thiết bị, loại bỏ tình trạng mở vốn có ở các thiết bị STT-MRAM. Tắt trễ; VCMA-MRAM tiếp tục giảm mức tiêu thụ điện năng của STT-MRAM, nhưng tốc độ ghi tương đối chậm; VG-SOT kết hợp những ưu điểm của hai ưu điểm đầu tiên, nhưng quy trình sản xuất phức tạp hơn và cần phải xác minh chức năng; (VG-)SOTMRAM có tiềm năng lớn hơn trong tính toán bộ nhớ mô phỏng...

Trong những năm qua, các loại thiết bị bộ nhớ MRAM khác nhau đã xuất hiện, với sự cân bằng giữa tốc độ ghi, độ tin cậy, mức tiêu thụ điện năng và mức tiêu thụ diện tích, với các ứng dụng hoàn toàn khác nhau tùy thuộc vào các đặc điểm cụ thể, chẳng hạn như STT-MRAM cho flash nhúng và bộ đệm cấp cuối, SOT-MRAM cho bộ đệm cấp thấp hơn, VCMA-MRAM cho các ứng dụng tiêu thụ điện năng cực thấp và cuối cùng là VG-MRAM. VG-SOTMRAM đóng vai trò là bộ đệm hợp nhất tối ưu và cũng có những ưu điểm của tính toán trong bộ nhớ.

Trong MRAM, dữ liệu thường được lưu trữ trong lớp "miễn phí" có từ tính có thể thay đổi và so sánh với lớp "cố định" được đặt trong quá trình sản xuất và cảm biến GMR chịu trách nhiệm phát hiện sự khác biệt giữa hai lớp. Sự khác biệt lớn nhất giữa hầu hết các biến thể MRAM là cách ghi dữ liệu. Tất cả MRAM đều sử dụng ít nhất một bóng bán dẫn trên mỗi ô bit, trong khi nhiều MRAM sử dụng hai bóng bán dẫn và tiêu thụ dòng điện đáng kể, khiến cho việc sản xuất công nghệ này kém hiệu quả về mặt chi phí hơn so với các công nghệ khác.

MRAM có chu kỳ đọc/ghi tương thích với SRAM, khiến nó đặc biệt phù hợp với các ứng dụng phải lưu trữ và truy xuất dữ liệu với độ trễ tối thiểu. Nó kết hợp thành công độ trễ thấp, tiêu thụ điện năng thấp, độ bền vô hạn, khả năng mở rộng và không biến động.

Là một công nghệ từ tính, MRAM vốn có khả năng chống bức xạ, khiến nó trở nên phổ biến cho các ứng dụng hàng không vũ trụ cũng ít nhạy cảm hơn về giá. Ngoài ra, MRAM đã tìm được chỗ đứng trong bộ lưu trữ doanh nghiệp, chẳng hạn như các mô-đun lõi bộ nhớ flash của IBM, trong đó MRAM của Everspin được sử dụng làm bộ đệm trong trường hợp mất điện đột ngột.

MRAM cũng có triển vọng rộng lớn trong các ứng dụng công nghiệp. Các nhà phân tích cho rằng các ứng dụng công nghiệp yêu cầu khả năng ghi rất nhanh và yêu cầu lưu trữ ổn định, nhưng bộ nhớ flash NAND, bộ nhớ flash NOR và EEPROM đều ghi rất chậm và tiêu tốn nhiều điện năng. SRAM với pin bổ sung yêu cầu thay pin vài năm một lần. Ngược lại, MRAM dường như phù hợp trong những tình huống này.

Ngành công nghiệp ô tô là một trong những lý do quan trọng khiến MRAM trở nên phổ biến. Do nhu cầu về MCU ngày càng tăng, giá thành của bộ nhớ flash tăng cao nên nhiều nhà cung cấp đã bắt đầu chuyển từ bộ nhớ flash sang eMRAM. Năm 2022, Renesas Electronics công bố ra mắt chip thử nghiệm STT-MRAM. Họ cho biết, so với bộ nhớ flash được sản xuất bằng FEOL, MRAM được sản xuất bằng BEOL có lợi thế hơn trong các quy trình dưới 22nm vì nó tương thích với công nghệ xử lý logic CMOS hiện có và yêu cầu ít lớp mặt nạ bổ sung hơn.

IBM lạc quan hơn. Daniel Worledge, nhà nghiên cứu nổi tiếng và quản lý cấp cao của IBM cho biết: “Trong khoảng ba năm, bạn sẽ có thể chỉ vào mọi chiếc ô tô mới trên đường phố và nói rằng chiếc ô tô đó có eMRAM trong đó”. "Không còn đèn flash nhúng trong các nút nâng cao nữa và tất cả các xưởng đúc đã ngừng phát triển nó, với giai đoạn chuyển đổi là 22nm và 28nm, tùy thuộc vào xưởng đúc."

04

5

ReRAM/RRAM

Năm 1971, Leon Chua của Đại học California, Berkeley, đã viết một bài báo lý thuyết có tựa đề "Memristor--Phần tử mạch bị thiếu". Bài báo mô tả một thiết bị điện tử thụ động cơ bản thứ tư, một memristor, có thể điều chỉnh dòng điện chạy qua chính nó dựa trên lượng điện tích trước đó chạy qua thiết bị. Tại thời điểm này, memristor chỉ là một lý thuyết, một thiết bị giả định thỏa mãn các yêu cầu đối xứng của các phương trình mô tả hoạt động của ba linh kiện điện tử thụ động cơ bản khác: điện trở, tụ điện và cuộn cảm.

Gần bốn mươi năm sau, vào năm 2008, HP Labs tuyên bố đã sản xuất thành công memristor sử dụng titan dioxide và memristor là một thiết bị phi nhị phân có thể được sử dụng để lưu trữ dữ liệu analog hoặc kỹ thuật số. Khi đó, một số người dự đoán DRAM sắp chết, memristor sẽ được thay thế dưới dạng bộ nhớ điện trở hay RRAM. Vào thời điểm đó, HP tuyên bố sẽ sử dụng RRAM trong máy tính mặt trăng sắp tới.

Nhưng đến năm 2015, HP đã đảo ngược quyết định này và tuyên bố rằng họ sẽ sử dụng DRAM thay vì memristor trong máy tính mặt trăng. Mười lăm năm sau khi HP công bố thành công trong việc sản xuất memristor, cuộc cách mạng RRAM vẫn chưa xảy ra và dường như nó sẽ không sớm diễn ra.

Giống như MRAM, có một số biến thể của RAM điện trở (ReRAM hoặc RRAM), tất cả đều được tạo ra bằng cách đặt các vật liệu đặc biệt lên trên logic CMOS tiêu chuẩn.

Quy trình đúc ReRAM chủ yếu được hỗ trợ bởi TSMC, Winbond và GlobalFoundries. Renesas (thông qua việc mua lại Adesto), Fujitsu, Microchip và Sony sản xuất ReRAM dưới dạng sản phẩm độc lập. Công nghệ Nuvoton sử dụng nó trong bộ vi điều khiển. Hiện nay, nhiều công ty trên thế giới đang phát triển quy trình ReRAM.

Nguyên lý kỹ thuật của ReRAM là trong một ô RAM điện trở, dòng điện được truyền qua hai dây để phát hiện xem điện trở của ô bit cao hay thấp. Thông thường, trạng thái của tế bào được thay đổi bằng cách tăng điện áp theo hướng dương hoặc âm, từ đó làm tăng hoặc giảm điện trở của tế bào. Điều này đạt được bằng cách di chuyển các phần tử dẫn điện như ion kim loại hoặc chỗ trống oxy vào trong cầu hoặc loại bỏ các phần tử này khỏi cầu hiện có. Người ta có thể lập luận rằng hầu hết các công nghệ bộ nhớ mới nổi khác (PCM, MRAM và FRAM) đều thuộc loại ReRAM vì chúng cũng sử dụng các điện trở thay đổi để biểu thị trạng thái của các bit bộ nhớ.

Các tính năng chính của ReRAM giống như PCM. Nó có thể được tích hợp vào ô điểm chéo để xếp chồng và vì các giá trị tuyến tính có thể được lưu trữ trên một ô bit đơn lẻ nên nó cũng có thể được sử dụng trong các mạng thần kinh trong tương lai.

Ưu điểm chính của ReRAM là tiêu thụ ít điện năng hơn và không cần tiêu tốn nhiều năng lượng để duy trì trạng thái lưu trữ như các thiết bị lưu trữ truyền thống. Một số vật liệu RRAM cũng có nhiều trạng thái điện trở, giúp có thể lưu trữ nhiều bit dữ liệu trong một bộ lưu trữ, do đó làm tăng mật độ lưu trữ. Tuy nhiên, nó không có lợi thế so với các công nghệ mới nổi khác về tốc độ đọc và ghi ngẫu nhiên cũng như độ bền.

Trong những năm qua, số lượng đơn đăng ký bằng sáng chế liên quan đến công nghệ ReRAM ngày càng tăng. Đặc biệt sau năm 2010, số lượng đơn xin cấp bằng sáng chế đã tăng lên đáng kể. Samsung hiện có số lượng bằng sáng chế liên quan lớn nhất, tiếp theo là Micron và SK Hynix. Các nhà sản xuất lưu trữ lớn đã bày tỏ sự quan tâm đến công nghệ này.

05

T AGPH8NRAM/UltraRAM

2

NRAM là công nghệ bộ nhớ máy tính độc quyền của Nantero. Nó là bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên không bay hơi dựa trên vị trí của các ống nano carbon lắng đọng trên chất nền giống như chip. Về lý thuyết, kích thước nhỏ của ống nano có thể tạo ra bộ nhớ mật độ rất cao.

Nantero đã dành gần 20 năm nghiên cứu NRAM, hoạt động khác với các bộ nhớ khác. Nó được làm từ các lớp ống nano carbon phát triển từ các hạt xúc tác, phổ biến nhất là sắt. Mỗi "tế bào" hoặc bóng bán dẫn NRAM bao gồm một mạng lưới các ống nano carbon và hoạt động theo nguyên tắc giống như các công nghệ RAM không bay hơi khác. Các ống nano cacbon không tiếp xúc với nhau có trạng thái điện trở cao, biểu thị trạng thái “tắt” hoặc “0”; khi các ống nano carbon tiếp xúc với nhau, chúng thể hiện trạng thái điện trở thấp, đại diện cho trạng thái “bật” hoặc “1”.

So với NAND và DRAM, NRAM có mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn, mức tiêu thụ điện năng ở chế độ chờ gần bằng 0, tốc độ ghi nhanh hơn và có khả năng mở rộng không giới hạn. FRAM không thể vượt qua 100 nanomet, EEPROM thường lớn hơn 60 nanomet, NORFlash hơn 10 nanomet và NRAM có thể được đẩy lên 5 nanomet. Có không gian tương đối lớn để mở rộng trong tương lai.

Một ưu điểm lớn khác của NRAM so với bộ nhớ flash truyền thống là độ bền của nó, cho phép chu kỳ đọc và ghi gần như không giới hạn. Chúng cũng có khả năng chống nóng, lạnh, nhiễu điện từ và bức xạ. Nantero cho biết chúng có thể được lưu trữ ở nhiệt độ 85 độ C trong hàng nghìn năm và đã được thử nghiệm ở nhiệt độ 300 độ C trong 10 năm mà không làm mất đi dù chỉ một chút dữ liệu.

NRAM có thể được sử dụng không chỉ để lưu trữ dữ liệu mà còn để lưu trữ chương trình. Tính năng này có sức hấp dẫn lớn đối với thị trường điện tử tiêu dùng. Hiện tại, các dự án phát triển sản phẩm cho NRAM độc lập và NRAM nhúng đang được tiến hành. NRAM độc lập đang được theo đuổi cho ba mục đích: thay thế DRAM, thay thế flash NAND và cho các ứng dụng mà cả DRAM và flash NAND đều không thể định địa chỉ. Trong lĩnh vực bộ nhớ nhúng, hiện đang có công việc sử dụng NRAM nhúng để thay thế bộ nhớ cố định được nhúng, bao gồm bộ nhớ flash nhúng hoặc RAM nhúng (SRAM hoặc DRAM).

Năm 2016, Fujitsu và USJC thông báo rằng họ đã đạt được sự đồng thuận với Nantero và nhận được ủy quyền công nghệ NRAM để thực hiện việc phát triển, thiết kế và sản xuất NRAM. Là thế hệ sản phẩm NRAM đầu tiên, các sản phẩm giao diện DDR3SPI 16Mbit của Fujitsu dự kiến sẽ được ra mắt vào khoảng năm 2021.

06

Tóm tắt

Với sự phát triển của các lĩnh vực như AI và Internet của Mọi thứ đã khiến việc ứng dụng dữ liệu lớn ngày càng trở nên phổ biến và những lĩnh vực mới này đã làm nảy sinh những nhu cầu mới về lưu trữ. Tốc độ đọc nhanh, mật độ lưu trữ cao, tuổi thọ cao, điện áp thấp và kích thước nhỏ hơn đã trở thành nhu cầu cấp thiết nhất hiện nay, nhưng một số loại lưu trữ hiện nay không còn đủ đáp ứng.

Điều này cũng mang lại cơ hội mới cho năm công nghệ lưu trữ nêu trên. Bất kể công nghệ lưu trữ nào, mỗi công nghệ đều có tính độc đáo riêng và có những lợi thế rất lớn so với bộ nhớ flash. Trong số đó, MRAM đã trở thành công nghệ lạc quan nhất trong số các nhà phân tích chất bán dẫn nhờ tính đa dạng, triển vọng ứng dụng rộng rãi và lợi thế toàn diện rõ ràng.

Nhưng điều này không có nghĩa là MRAM chắc chắn là người chiến thắng. Với sự phát triển và ứng dụng các công nghệ lưu trữ khác, có khả năng thay thế nó. Vẫn còn phải xem công nghệ lưu trữ nào là tương lai.

Truy cập:

Trung tâm mua sắm Jingdong