Quel avenir pour la mémoire ? Intel est sans aucun doute l’un des constructeurs qui a le plus misé sur les technologies du futur. De la DRAM Rambus à la mémoire Optane 3DXpoint ultérieure, il a montré son exploration et son désir de technologies plus avancées. Malheureusement, ces deux technologies de mémoire pour lesquelles Intel avait de grands espoirs ont finalement été condamnées à mort de leurs propres mains, ce qui fait soupirer les gens.

Et après le rappel d’Optane, quelles technologies méritent l’attention de tous ?

Tom Coughlin de Coughlin Associates et Jim Handy d'Objective Analysis ont récemment publié un rapport. Deux analystes des semi-conducteurs ont mené une analyse détaillée des perspectives de cinq technologies de stockage émergentes, à partir desquelles nous pourrons peut-être avoir un aperçu du développement technologique.


Les analystes ont d'abord résumé les leçons tirées de l'échec d'Optane. L’essence de la fabrication de semi-conducteurs est que plus la production est élevée, plus le coût est faible. Avec Optane, Intel aurait pu augmenter sa capacité de production pour réduire les prix et stimuler les ventes de puces. Cependant, la capacité de production initiale d'Optane n'était pas suffisante, ce qui signifiait que le coût des puces était plus élevé et qu'elle a dû supporter elle-même cette partie de la perte. Les ventes doivent continuer à augmenter jusqu'à ce que l'augmentation de la capacité de production soit justifiée, et finalement le coût de chaque puce soit réduit, réalisant ainsi un bénéfice substantiel.

Cela montre également que les économies d'échelle peuvent jouer un rôle plus important que nous ne le pensons sur le marché émergent de la mémoire, et le rapport conclut que le volume des plaquettes doit être proche de 10 % du volume des technologies concurrentes pour atteindre la parité des coûts.

Au cours du processus d'échec progressif d'Optane, cinq technologies de stockage émergentes ont commencé à apparaître sur scène, notamment la MRAM, la mémoire à changement de phase (PCM), la RAM ferroélectrique (FERAM), la mémoire résistive RAM (ReRAM) et la NRAM/UltraRAM. On s'attend à ce qu'ils dépassent les limites d'extension de NAND et NOR et consomment moins d'énergie que la DRAM et la SRAM.

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FRAM/FeRAM


FRAM, inventé en 1952, est la plus ancienne mémoire émergente. Aujourd'hui, plus de 4 milliards de puces FRAM sont installées dans divers appareils. Bien que son nom contienne du fer, FRAM n’en utilise pas. Il possède simplement une boucle d'hystérésis similaire au ferromagnétisme, et cette boucle d'hystérésis lui permet de stocker des données.

Le principe du FRAM est d’exploiter les propriétés physiques uniques de certains réseaux cristallins. Dans les matériaux ferroélectriques, les atomes peuvent occuper l’une des deux positions stables au sein du réseau. Le champ électrique déplace les atomes mobiles à l'intérieur du réseau vers l'une des deux positions stables, en fonction de la polarité du champ électrique et de certaines propriétés physiques (peut-être une capacité ou une résistance), en fonction de la position de l'atome piégé.

Actuellement, de nombreux fabricants produisent encore des FRAM. Par exemple, Infineon produit principalement des puces FRAM discrètes, tandis que Texas Instruments et Fujitsu intègrent cette technologie dans les MCU. Fujitsu intègre également FRAM dans les tickets de métro. La principale raison de cette utilisation est que la consommation d’énergie d’écriture du FRAM est relativement la plus faible parmi les technologies de stockage.

Pourquoi a-t-il fallu si longtemps pour inventer le FRAM, pourquoi est-il encore inconnu après la production de milliards de puces et est-il toujours répertorié comme une technologie de stockage émergente ?

La raison en est que FRAM était auparavant principalement basé sur du titanate de zirconate de plomb (PZT) et du tantalate de strontium et de bismuth (SBT), mais les deux matériaux contiennent du plomb ou du bismuth, ce qui polluerait l'usine, limitant ainsi sa capacité de production. Heureusement, en 2011, on a découvert que l’oxyde de hafnium (HfO) possède des propriétés ferroélectriques dans certaines conditions. HfO est la base du diélectrique de grille à K élevé utilisé dans FinFET. Cela résout non seulement le problème de la capacité de production, mais ne provoque pas non plus de pollution. Par conséquent, même si le HfO n’a pas été officiellement utilisé pour la production, les perspectives d’avenir sont très prometteuses.

Par rapport à la mémoire flash, les avantages de la FRAM incluent une consommation d'énergie inférieure, des vitesses d'écriture plus rapides et une endurance maximale de lecture/écriture plus élevée. FRAM a une durée de conservation des données de plus de 10 ans à +85°C (jusqu'à des décennies à des températures plus basses), mais elle présente également ses propres inconvénients, c'est-à-dire que la densité de stockage est bien inférieure à celle des dispositifs de mémoire flash, la capacité de stockage est limitée et le coût est plus élevé. Depuis 2021, la taille de stockage (densité) des puces vendues par différents fournisseurs ne dépasse pas 16 Mo.

Actuellement, la FRAM est désormais intégrée dans les puces via la technologie CMOS, permettant aux MCU de disposer de leur propre mémoire FRAM, ce qui représente moins d'étapes que ce qui est nécessaire pour intégrer la mémoire flash dans les puces MCU, réduisant ainsi considérablement les coûts.

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PCM


Grâce au lancement par Intel de la mémoire Optane, la mémoire à changement de phase (PCM ou PRAM) est depuis longtemps le leader des revenus parmi les technologies de mémoire émergentes. En fait, dès 1970, Gordon Moore, Ron Neale et D-L Nelson d'Intel ont co-écrit un article sur le prototype PCM 256 bits. Son historique de recherche et développement est long et n’est pas inférieur aux autres technologies de stockage.

L'origine du PCM remonte à 1960, lorsque Ovshinsky a créé le Laboratoire de conversion d'énergie pour étudier les matériaux amorphes et leurs caractéristiques de changement de phase. Le laboratoire a été rebaptisé Energy Conversion Devices (ECD) en 1964, et l'une des nombreuses innovations d'Ovshinsky était la mémoire à changement de phase Ovonics qui porte son nom. Intel a finalement coopéré avec ECD pour obtenir la licence de propriété intellectuelle pour la mémoire à changement de phase Ovonics et a officiellement lancé 3DXPointPCM en 2015.

Outre Intel, STMicroelectronics a produit des microcontrôleurs (MCU) avec mémoire de programme PCM, et des fabricants de stockage tels que Samsung et Micron ont également produit en masse des produits de remplacement de mémoire flash PCMNOR il y a plus de dix ans, mais l'existence de ces produits a été assez courte.

La base du PCM est un matériau en verre déposé sur une puce logique CMOS standard. Ce matériau change d'état en fonction des caractéristiques du verre. Le verre passe d'un état cristallin à un état amorphe, correspondant respectivement à un état conducteur ou résistif. Il existe deux manières d'augmenter la capacité de stockage : l'une est l'empilement tridimensionnel, qui est au centre des préoccupations d'Intel et de Micron, et l'autre est la technologie à valeurs multiples, dans laquelle IBM a réalisé des progrès révolutionnaires.

Par rapport à la mémoire flash, le PCM présente de nombreux avantages, tels qu'une forte intégration, une excellente répétabilité, une bonne stabilité et une compatibilité avec les processus CMOS. En fait, jusqu’à présent, aucune limite physique claire n’a été trouvée pour le PCM. Lorsque l'épaisseur du matériau à changement de phase est réduite à 2 nm, le dispositif peut toujours subir un changement de phase.

Le plus grand avantage du PCM est qu'il peut utiliser une configuration de points de croisement pour stocker des données à l'intersection de deux lignes conductrices orthogonales, ce qui facilite l'empilement, rendant ainsi la taille de la puce et le coût de production inférieurs à toute technologie mature, à l'exception de la 3D NAND.

Mais le PCM présente également des défauts qui ne peuvent être ignorés. La chaleur reste un problème majeur. Bien que la mémoire soit thermiquement stable et puisse gérer des applications à haute température, la chaleur générée lors de la programmation d'une cellule peut affecter les cellules voisines. Un échauffement local peut provoquer des espaces au-dessus de la batterie. De plus, la capacité de la mémoire flash à stocker et à détecter plusieurs bits par cellule lui confère un avantage en termes de capacité de stockage par rapport au PCM.

Ces dernières années, l’application du PCM dans l’informatique en mémoire a suscité un vif intérêt. L'idée est d'effectuer des tâches informatiques, telles que des opérations de multiplication matrice-vecteur, dans la matrice mémoire elle-même en exploitant les capacités de stockage analogique du PCM et les lois des circuits de Kirchhoff. En 2021, IBM a lancé un cœur de calcul de mémoire mature basé sur un PCM multiniveau intégré dans le nœud technologique CMOS 14 nm.

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MRAM


La RAM magnétique (MRAM) est une technologie basée sur les principes physiques de tout enregistrement magnétique (disques durs, bandes, etc.), mais sa méthode d'application supprime les éléments mécaniques. Aujourd'hui, Everspin, une entreprise née des résultats des recherches de Motorola et Freescale, est le leader de cette technologie, avec un bénéfice d'exploitation de 44 millions de dollars en 2021.

De plus, Avalanche et Numem ont récemment rejoint les rangs des producteurs de MRAM, et des fonderies telles que TSMC, GlobalFoundries et Samsung ont lancé des processus de MRAM embarquée. Actuellement, les processus MRAM ont commencé à être utilisés dans les SoC pour les applications IoT et les appareils à micro-alimentation.

Il existe de nombreux types de MRAM, mais leurs structures sont très similaires. Ils utilisent tous des couches de cobalt et de magnésium comme combinaison de capteurs à magnétorésistance géante (GMR) et d’éléments de commutation magnétique. Ils sont également largement utilisés dans les têtes de lecture/écriture de disques durs. Leur principal avantage est la rapidité. Beaucoup de gens ont imaginé que la MRAM pourrait remplacer la SRAM haute vitesse à l’avenir.

Après des années de recherche, la MRAM a été divisée en différents types et voies : STT-MRAM résout efficacement le problème de la « fuite » d'énergie de la mémoire SRAM lorsqu'elle est inactive ; SOT-MRAM améliore considérablement la durabilité et la stabilité de lecture de l'appareil, éliminant l'ouverture inhérente aux appareils STT-MRAM. Délai d'arrêt ; VCMA-MRAM réduit encore la consommation d'énergie de STT-MRAM, mais la vitesse d'écriture est relativement lente ; VG-SOT combine les avantages des deux premiers, mais le processus de fabrication est plus complexe et la fonction doit être vérifiée ; (VG-)SOTMRAM a un plus grand potentiel dans le calcul de mémoire simulée...

Au fil des années, différents types de dispositifs de mémoire MRAM ont vu le jour, avec des compromis entre vitesse d'écriture, fiabilité, consommation d'énergie et consommation de surface, avec des applications complètement différentes en fonction de caractéristiques spécifiques, telles que STT-MRAM pour le flash intégré et le cache de dernier niveau, SOT-MRAM pour le cache de niveau inférieur, VCMA-MRAM pour les applications à très faible consommation, et enfin VG-MRAM. VG-SOTMRAM constitue le cache unifié ultime et présente également les avantages de l'informatique en mémoire.

Dans la MRAM, les données sont généralement stockées dans une couche « libre » dont le magnétisme peut être modifié et comparé à une couche « fixe » définie lors de la production, et le capteur GMR est chargé de détecter la différence entre les deux. La plus grande différence entre la plupart des variantes de MRAM réside dans la manière dont les données sont écrites. Toutes les MRAM utilisent au moins un transistor par cellule binaire, tandis que de nombreuses MRAM utilisent deux transistors et consomment un courant considérable, ce qui rend la technologie moins rentable à produire que d'autres technologies.

MRAM possède des cycles de lecture/écriture compatibles SRAM, ce qui la rend particulièrement adaptée aux applications qui doivent stocker et récupérer des données avec une latence minimale. Il combine avec succès une faible latence, une faible consommation d’énergie, une persistance infinie, une évolutivité et une non-volatilité.

En tant que technologie magnétique, la MRAM est intrinsèquement résistante aux radiations, ce qui la rend populaire pour les applications aérospatiales qui sont également moins sensibles au prix. De plus, la MRAM a trouvé sa place dans le stockage d'entreprise, comme les modules de base de mémoire flash d'IBM, où la MRAM d'Everspin est utilisée comme tampon en cas de panne de courant inattendue.

La MRAM présente également de larges perspectives dans les applications industrielles. Les analystes ont déclaré que les applications industrielles nécessitent des capacités d'écriture très rapides et nécessitent un stockage non volatile. Cependant, la mémoire flash NAND, la mémoire flash NOR et l'EEPROM sont toutes très lentes à écrire et consomment beaucoup d'énergie. La SRAM avec des batteries supplémentaires doit remplacer la batterie toutes les quelques années. En revanche, la MRAM semble être à l’aise dans ces scénarios.

L’industrie automobile est l’une des principales raisons pour lesquelles la MRAM est si populaire. En raison de la demande croissante de MCU et du coût croissant de la mémoire flash, de nombreux fournisseurs ont commencé à passer de la mémoire flash à l'eMRAM. En 2022, Renesas Electronics a annoncé le lancement de puces de test STT-MRAM. Par rapport à la mémoire flash fabriquée avec FEOL, la MRAM fabriquée avec BEOL présente des avantages dans les processus inférieurs à 22 nm, car elle est compatible avec la technologie de processus logique CMOS existante et nécessite moins de couches de masque supplémentaires.

IBM est plus optimiste. "Dans environ trois ans, vous serez en mesure de pointer du doigt chaque nouvelle voiture dans la rue et de dire que cette voiture contient de l'eMRAM", a déclaré Daniel Worledge, chercheur distingué et cadre supérieur chez IBM. "Il n'y a plus de flash intégré dans les nœuds avancés, toutes les fonderies ont arrêté de le développer, et la période de transition est de 22 nm et 28 nm, selon la fonderie."

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ReRAM/RRAM


En 1971, Leon Chua, de l'Université de Californie à Berkeley, a écrit un article théorique intitulé « Memristor – The Missing Circuit Element ». L'article décrit un quatrième dispositif électronique passif de base, un memristor, qui peut réguler le courant qui le traverse en fonction de la quantité de charge circulant auparavant dans le dispositif. À ce stade, le memristor n’est qu’une théorie, un dispositif hypothétique qui satisfait aux exigences de symétrie des équations qui décrivent le comportement de trois autres composants électroniques passifs de base : les résistances, les condensateurs et les inductances.

Près de quarante ans plus tard, en 2008, HP Labs a annoncé avoir réussi à créer un memristor utilisant du dioxyde de titane. Memristor est un appareil non binaire qui peut être utilisé pour stocker des données analogiques ou numériques. À cette époque, certaines personnes prédisaient que la DRAM était sur le point de mourir et que le memristor serait remplacé sous forme de mémoire résistive ou RRAM. À cette époque, HP avait déclaré qu'il utiliserait la RRAM dans son prochain ordinateur lunaire.

Mais en 2015, HP est revenu sur sa décision et a annoncé qu'il utiliserait de la DRAM au lieu des memristors dans son ordinateur lunaire. Quinze ans après que HP a annoncé le succès de la production de memristors, la révolution RRAM n'a toujours pas eu lieu, et elle ne semble pas être sur le point de se produire de si tôt.

Comme la MRAM, il existe plusieurs variantes de RAM résistive (ReRAM ou RRAM), qui sont toutes fabriquées en déposant des matériaux spéciaux sur une logique CMOS standard.

Le processus de fonderie ReRAM est principalement pris en charge par TSMC, Winbond et GlobalFoundries. Renesas (grâce à l'acquisition d'Adesto), Fujitsu, Microchip et Sony produisent des ReRAM en tant que produits indépendants. Nuvoton Technology l'utilise dans les microcontrôleurs. Actuellement, de nombreuses entreprises dans le monde développent des processus ReRAM.

Le principe technique de ReRAM est que dans une cellule RAM résistive, le courant électrique passe à travers deux fils pour détecter si la résistance de la cellule binaire est élevée ou faible. Généralement, l'état de la cellule est modifié en augmentant la tension dans le sens positif ou négatif, augmentant ou diminuant ainsi la résistance de la cellule. Ceci est réalisé en déplaçant des éléments conducteurs tels que des ions métalliques ou des lacunes d'oxygène dans le pont, ou en retirant ces éléments du pont existant. On pourrait affirmer que la plupart des autres technologies de mémoire émergentes (PCM, MRAM et FRAM) entrent dans la catégorie ReRAM car elles utilisent également des résistances variables pour indiquer l'état des bits de mémoire.

La principale caractéristique de ReRAM est que, comme le PCM, il peut être intégré dans des cellules de points de croisement pour l'empilement, et comme les valeurs linéaires peuvent être stockées sur une cellule à un seul bit, il pourrait également être utilisé dans les réseaux neuronaux à l'avenir.

Le principal avantage de ReRAM est qu’il consomme moins d’énergie et n’a pas besoin de consommer beaucoup d’énergie pour maintenir l’état de stockage comme les périphériques de stockage traditionnels. Certains matériaux RRAM ont également plusieurs états de résistance, ce qui permet de stocker plusieurs bits de données dans une seule unité de stockage, augmentant ainsi la densité de stockage. Cependant, elle ne présente aucun avantage par rapport aux autres technologies émergentes en termes de vitesse et de durabilité de lecture et d’écriture aléatoires.

Au fil des années, le nombre de demandes de brevet liées à la technologie ReRAM n’a cessé d’augmenter. Surtout après 2010, le nombre de demandes de brevet a considérablement augmenté. Samsung possède actuellement le plus grand nombre de brevets associés, suivi de Micron et SK Hynix. Les grands fabricants de stockage ont manifesté leur intérêt pour cette technologie.

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NRAM/UltraRAM


NRAM est la technologie de mémoire informatique exclusive de Nantero. Il s'agit d'une mémoire vive non volatile basée sur la localisation de nanotubes de carbone déposés sur un substrat en forme de puce. En théorie, la petite taille des nanotubes permet une mémoire à très haute densité.

Nantero a passé près de 20 ans à travailler sur la NRAM, qui fonctionne différemment des autres dispositifs de mémoire. Il est constitué de couches de nanotubes de carbone issus de particules de catalyseur, le plus souvent du fer. Chaque « cellule » ou transistor NRAM est composé d'un réseau de nanotubes de carbone et fonctionne sur le même principe que les autres technologies RAM non volatiles. Les nanotubes de carbone qui ne sont pas en contact les uns avec les autres présentent un état de résistance élevée, représentant l'état « off » ou « 0 » ; lorsque les nanotubes de carbone sont en contact les uns avec les autres, ils présentent un état de faible résistance, représentant l'état "on" ou "1".

Par rapport à la NAND et à la DRAM, la NRAM a une consommation d'énergie inférieure, une consommation d'énergie proche de zéro en mode veille, une vitesse d'écriture plus rapide et une évolutivité illimitée. La FRAM ne peut pas dépasser 100 nanomètres, l'EEPROM fait généralement plus de 60 nanomètres, NORFlash fait plus de dix nanomètres et la NRAM peut être avancée jusqu'à 5 nanomètres, et il y a une marge relativement grande pour une expansion future.

Un autre avantage majeur de la NRAM par rapport à la mémoire flash traditionnelle est son endurance, qui permet des cycles de lecture et d'écriture presque illimités. Ils résistent également à la chaleur, au froid, aux interférences électromagnétiques et aux rayonnements. Nantero a déclaré qu'ils pouvaient être stockés à 85 degrés Celsius pendant des milliers d'années et qu'ils avaient été testés à 300 degrés Celsius pendant 10 ans sans perdre la moindre donnée.

La NRAM peut être utilisée non seulement pour le stockage de données mais également pour le stockage de programmes. Cette fonctionnalité est très attractive pour le marché de l’électronique grand public. Actuellement, des projets de développement de produits pour la NRAM autonome et la NRAM intégrée sont en cours. La NRAM autonome est recherchée à trois fins : pour le remplacement de la DRAM, pour le remplacement du flash NAND et pour les applications dans lesquelles ni la DRAM ni le flash NAND ne sont adressables. Dans le domaine de la mémoire embarquée, des travaux sont en cours pour utiliser la NRAM embarquée pour remplacer la mémoire non volatile embarquée, notamment la mémoire flash embarquée ou la RAM embarquée (SRAM ou DRAM).

En 2016, Fujitsu et l'USJC ont annoncé avoir atteint un consensus avec Nantero et obtenu l'autorisation de la technologie NRAM pour mener à bien le développement, la conception et la production de NRAM. En tant que première génération de produits NRAM, les produits d'interface DDR3SPI 16 Mbits de Fujitsu devraient être lancés vers 2021.

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Résumer

Avec l’essor de l’IA, de l’Internet des objets et d’autres domaines, l’application du Big Data est de plus en plus répandue, et ces nouveaux domaines ont donné naissance à de nouvelles demandes en matière de stockage. Une vitesse de lecture rapide, une densité de stockage élevée, une longue durée de vie, une basse tension et une taille plus petite sont devenus les besoins les plus urgents à l'heure actuelle, mais les différents types de stockage actuels ne sont plus adéquats.

Cela offre également de nouvelles opportunités pour les cinq technologies de stockage mentionnées ci-dessus. Quelle que soit la technologie de stockage, chacune a sa propre particularité et présente d’énormes avantages par rapport à la mémoire flash. Parmi elles, la MRAM est devenue la technologie la plus optimiste parmi les analystes des semi-conducteurs en raison de ses types riches, de ses larges perspectives d'application et de ses avantages complets évidents.

Mais cela ne signifie pas que MRAM soit un gagnant assuré. Avec le développement et l’application d’autres technologies de stockage, il existe la possibilité de le remplacer. Reste à savoir quelle technologie de stockage représente l’avenir.

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