«Всем известен закон Мура, который описывает уменьшение размеров транзисторов в логических схемах.
Чтобы он продолжал работать, технологам приходится прибегать ко все новым ухищрениям, но их работа несколько усложняется тем, что все чипы сильно различаются по структуре.
Что произошло бы, если бы можно было оптимизировать технологию для конкретной конструкции чипа? Динамическая память может дать ответ на этот вопрос».
Классическим примером действия закона Мура является статическая ячейка памяти.
Его схема давно известна и широко используется, занимая десятки процентов площади современных микропроцессоров и систем на кристалле.
Именно площадь статической ячейки памяти стала использоваться как мера плотности упаковки новых технологий, когда стало ясно, что длина транзисторного канала больше не может быть эталоном стандартов проектирования.
Учитывая важность статической памяти, технологи стараются подобрать параметры процесса так, чтобы не только повысить плотность упаковки элементов на кристалле, но и позаботиться конкретно о статической памяти.
Однако на чипе всегда много других схем, и если вы слишком много внимания уделяете оптимизации памяти, это может иметь неприятные последствия.
Но что произошло бы, если бы технологию можно было полностью подчинить потребностям схемотехники? Динамическая память может дать ответ на этот вопрос.
ДРАМ
В отличие от шеститранзисторной статической ячейки памяти, элемент динамической памяти состоит всего из двух частей — одного МОП-транзистора и одного конденсатора.Это позволяет разместить на одном чипе большой объем информации.
Но емкости памяти, как и золота, никогда не бывает достаточно, а чипы DRAM обычно содержат только DRAM и производятся в таких количествах, что адаптация технологии к дизайну является жизнеспособной идеей.
Самая первая динамическая память появилась еще во время Второй мировой войны, в компьютере «Водолей», одном из многих, с помощью которых британцы взломали немецкие коды.
Однако нам пришлось подождать еще двадцать лет до широкого внедрения динамической памяти.
В течение последних двадцати лет основным типом памяти в вычислительных устройствах была память на магнитных сердечниках — громоздкая, энергоемкая и очень дорогая из-за большого количества кропотливого ручного труда при сборке.
Все изменилось, когда в 1966 году Роберт Деннард, работая со статической памятью на МОП-транзисторах, придумал альтернативный подход, позволивший ему сэкономить на количестве элементов.
Деннард, кстати, назван в честь масштабирования Деннарда, которому должны следовать параметры КМОП-чипов, чтобы работал закон Мура, поэтому его вклад в увеличение плотности упаковки чипов поистине огромен.
На этой фотографии Роберт Деннард изображен только со схемой и вырезом ячейки DRAM.
Идея Деннарда была блестящей в своей простоте: сердцем МОП-транзистора является конденсатор, образованный затвором, диэлектриком затвора и областью затвора транзистора.
Так почему бы не использовать этот конденсатор.
в качестве конденсатора? Если конденсатор заряжен, то он логический; если он разряжен, то это логический ноль.
Как видите, на самом деле все очень просто, и эта простота стала главным коммерческим успехом одной известной компании с синим логотипом, которая первой начала коммерциализировать DRAM в начале семидесятых годов, а затем выпустила микропроцессор 8008 как побочный проект. Однако с реализацией гениальной идеи пришлось немного подождать, и ячейка самой первой динамической памяти Intel 1103 содержала не один, а три транзистора, а таких ячеек на кристалле было размещено 1024. Почему три? Три по-прежнему лучше, чем шесть, а аккуратная однотранзисторная схема требует наличия на плате относительно сложного усилителя считывания.
В 1970 году у Intel был процесс, в котором использовались только pMOS-транзисторы (длина канала 8 микрон), поэтому им пришлось сделать отдельные линии для записи и чтения данных.
С появлением технологии КМОП на кристалле появилась возможность размещать усилители считывания, и тогда ячейка стала однотранзисторной.
Поперечное сечение простой ячейки DRAM. Слева — транзистор доступа, справа — МОП-конденсатор.
Два варианта отличаются режимом работы МОП-конденсатора, емкость которого фактически нелинейна и зависит от приложенного напряжения.
В «обычной» ячейке DRAM чтение происходит следующим образом: битовая линия заряжается до половины мощности, после чего переключатель доступа замыкается.
Если напряжение на накопительном конденсаторе превышает половину напряжения питания, напряжение на битовой линии будет медленно расти в результате перетекания в нее заряда от конденсатора.
Если на конденсаторе ничего нет, то, наоборот, заряд из разрядной линии потечет в ячейку памяти, и напряжение на разрядной линии начнет падать.
К битовой линии подключается специальный усилитель, который может определить, уменьшилось или увеличилось напряжение на битовой линии.
Такие усилители способны измерять небольшие разницы напряжений, поэтому нет необходимости ждать полного заряда или разряда конденсатора ячейки памяти.
У этой идеи есть только один недостаток – различного рода несовершенства приводят к тому, что конденсатор медленно, но верно разряжается, а данные теряются.
В статической памяти эта проблема решается тем, что ячейка содержит обратную связь, перекачивающую в себя заряд взамен утекшего — но именно эта обратная связь и стоит дополнительных транзисторов.
Что, если мы все еще хотим сохранить двухэлементную конструкцию? Время от времени считывайте все данные в памяти и переписывайте их заново.
Как часто это следует делать? Чем реже, тем лучше, чтобы не мешать нормальной работе памяти.
Но чтобы конденсатор разряжался медленно, он должен быть большого размера.
Но большой конденсатор означает большую площадь, то есть меньше памяти на том же кристалле.
Но если конденсатор небольшой, то накопленный в нем заряд не сможет повлиять на напряжение линии доступа, которая тоже имеет емкость.
Правильное решение всех этих дилемм и выбор подходящего размера конденсатора — задача проектировщиков динамической памяти, не всегда тривиальная и сильно зависящая от особенностей конкретной технологии производства.
График, показывающий изменения ключевых параметров DRAM — площади чипа, площади ячейки и емкости ячейки.
Как видно из рисунка выше, потребность в конденсаторе статической ячейки памяти такова, что она очень незначительно уменьшается от поколения к поколению.
В обычной планарной конструкции конденсатор уже занимал большую часть площади ячейки, и этого было достаточно для первых поколений памяти — по этой технологии выпускались все микросхемы памяти емкостью от 4 килобит до 512 килобит, а также довольно несколько чипов емкостью 1 Мегабит. Объемы памяти росли вместе со снижением стандартов проектирования: с 8 микрон в самых первых DRAM до 1,2-1,3 микрон в новейших планарных DRAM середины восьмидесятых годов.
И все же довольно рано стало ясно, что бесконечно увеличивать плотность упаковки просто за счет снижения стандартов проектирования невозможно, и необходимо искать новые технологические решения, которые могли бы поддерживать емкость на том же уровне при уменьшении размеров ячеек памяти.
Так как же можно увеличить плотность упаковки? Удивительно, но разработчики КМОП-технологий задали тот же вопрос гораздо позже и расширили размеры обычных планарных транзисторов аж до 28 нанометров.
После этого при переходе от норм проектирования 28 нм к 22 нм придумали принципиально иной вариант транзистора, создав FinFET. Идея FinFET заключается в том, что транзисторный канал размещается на подложке не горизонтально, а вертикально, что позволяет разместить на одной площади в несколько раз больше транзисторов практически одинакового размера.
Обычный планарный транзистор, планарный транзистор FDSOI и FinFET. Диэлектрик затвора выделен желтым цветом.
Точно такая же история произошла с конденсаторами в DRAM, но на пару десятилетий раньше.
Более того, если слой транзисторов в микросхеме всегда один и тот же (по крайней мере, в прошлом, сейчас и в ближайшем будущем), то конденсатор можно размещать в разных частях микросхемы, не обязательно в том же слое, что и транзисторы.
На самом деле возможны два варианта: размещение конденсатора над или под транзистором, и оба эти варианта нашли применение в реальных микросхемах памяти.
Также стоит отметить, что конкуренция в сфере DRAM в то время была чрезвычайно жесткой, и разработчики постоянно находились под огромным давлением.
Ключевыми клиентами были производители мэйнфреймов, от контрактов с которыми зависел не только финансовый успех поставщиков DRAM, но и их репутация: мейнфреймы считались высоконадежной продукцией, и попадание в них было своего рода знаком качества.
Производители мэйнфреймов, конечно, воспользовались таким положением дел и оказали беспощадное давление как на цены, так и на время разработки.
Например, известен случай, когда компания Hitachi, которая была одним из лидеров рынка DRAM в конце эпохи плоских ячеек, отказалась модифицировать существующие прототипы объемных ячеек под 1 Мбит чипы, поскольку предполагаемая время, необходимое для исследования, составило шесть месяцев.
Вместо этого Hitachi решила сделать 1 Мбит на плоских сотах и, хотя и выиграла в краткосрочной перспективе, довольно скоро после этого решения всё равно оказалась позади конкурентов.
Конденсатор над транзистором
Участок ячейки памяти с конденсатором, расположенным над транзистором.
Чтобы разместить конденсатор над транзистором, в технологию пришлось добавить два проводящих слоя и тонкий диэлектрик между ними.
По технологическим причинам оказалось удобнее делать проводящие слои не металлическими, а поликремниевыми — точно так же, как затворы транзисторов делают из поликремния.
Использование поликремниевых конденсаторов позволило уменьшить площадь ячейки памяти вдвое.
Это в сочетании с дальнейшим прогрессом в стандартах проектирования позволило не только успешно осваивать микросхемы с 1 Мбит на кристалле, но и увеличить емкость микросхем памяти до 4 Мбит. Примерно в это же время произошли важные изменения не только во внутренней структуре чипов DRAM, но и в способе их использования.
Во-первых, рынок персональных компьютеров начал быстро расти — появились дешевые и мощные процессоры, такие как Motorola 68000 и Intel 80286. Во-вторых, если ранние чипы памяти просто производились в корпусах для поверхностного монтажа и впаивались в платы мэйнфреймов, то производители и пользователи персональным компьютерам требовалась большая гибкость.
Так появились SIMM-модули и разъемы, одним из пионеров коммерциализации которых на растущем рынке ПК стала компания Kingston Technology, основанная в 1987 году.
На 4 Мбит на чипе аппетиты пользователей, конечно, не закончились, но площадь конденсатора сжимать было некуда.
На выходе было не горизонтальное, а вертикальное расположение конденсатора, как показано на рисунке ниже.
В принципе, это почти та же структура из двух слоев поликремния и диэлектрика между ними, но не плоская, а в виде воронки.
Встроенная DRAM Nintendo Wii, стандарты конструкции транзисторов — 45 нм.
Изменений хватило для размещения на чипе до 64 Мбит памяти, но и этого в итоге оказалось недостаточно.
«Воронки» конденсатора со временем превратились в высокие тонкие цилиндры, занимавшие минимум места не только в длину, но и в ширину.
Вот как выглядят эти цилиндрические конденсаторы.
Когда этого стало уже недостаточно, технологи научились делать поверхность пластин не гладкой, а зернистой, увеличивая таким образом ее площадь в несколько раз.
Эта технология называется HSG – Hemispherical Grain (полусферические зерна).
Тогда, как и в транзисторах, были использованы диэлектрики high-k, что позволило увеличить ёмкость за счёт более высокой диэлектрической проницаемости и сделать ещё несколько шагов к ёмкости в несколько Гигабит на кристалле.
Срез цилиндрического конденсатора с полусферическими зернами.
Между тем продолжающийся рост плотности упаковки изменил ее основной драйвер – после мэйнфреймов и персональных компьютеров пришло время мобильных устройств, которые чрезвычайно требовательны не только к функциональным характеристикам памяти, но и к ее производительности.
физический объем, энергопотребление и тепловыделение.
Все эти факторы повысили важность дальнейшего совершенствования DRAM, хотя казалось, что важнее некуда.
Конденсатор под транзистор
В то же время развивалось еще одно направление, предполагавшее размещение конденсатора под транзистором.Точнее, не «под», а все же рядом, но не по горизонтали, а по вертикали.
В кремнии рядом с транзистором образуется углубление, называемое по-английски «trench», по-русски «паз».
Поверхность этой канавки покрывается тонким слоем оксида, а затем весь объем заполняется проводящим поликремнием, соединенным с землей.
Вторая обкладка конденсатора является стоком транзистора доступа.
Создание крупной вертикальной структуры потребовало значительных достижений во многих технологиях производства микроэлектроники.
Например, крайне нетривиальной задачей даже сейчас является создание вертикальной, а не наклонной стенки, а также равномерного тонкого слоя оксида на ее поверхности.
Кроме того, возникли схемотехнические трудности в виде дополнительных путей утечки, и на этот раз не просто в землю, а от бита к биту - по подложке, имеющей достаточно высокое, но ненулевое сопротивление.
Однако после некоторой доработки такая структура позволила увеличить емкость микросхем памяти до 64 Мбит. Дальше продвинуться не удалось, поскольку более близкое расположение канавок сильно увеличивает утечку и не позволяет реализовать все преимущества такой технологии.
Появилась еще одна совершенно неожиданная проблема.
Свинцовый припой, используемый для упаковки чипов, неожиданно содержит свинец.
А свинец всегда содержит небольшие примеси урана, который является источником альфа-излучения.
Альфа-частицы в тех количествах, в которых их производит свинец, не опасны, в том числе и потому, что имеют очень малую дальность полета и не выходят за пределы корпуса микросхемы.
Но внутри корпуса они способны достигать активного слоя кремния и при взаимодействии с ним генерировать электрический заряд, то есть перезаписывать информацию в ячейках памяти, оказавшихся на пути.
Звучит очень экзотично, но эта проблема оказалась серьёзным препятствием на пути разработки и коммерциализации самой первой памяти с пазовыми конденсаторами, а в дальнейшем борьба с ней привела к дальнейшим технологическим изменениям в ячейке.
И, конечно же, начали избавляться от свинцового припоя в корпусах.
Встроенная DRAM процессора IBM Power 7+.
Обратите внимание, насколько глубоки канавки конденсаторов и насколько широки их технологические вариации.
Решение проблемы альфа-частиц и утечки из одного конденсатора в другой заключалось в перемещении линии заземления изнутри канавки наружу.
Таким образом, подложка кристалла стала заземлённой линией, и утечка с земли на землю не является проблемой, как и появление «лишнего» заряда от альфа-частиц в заземлённой линии.
Платой за столь изящное решение стала необходимость отделения транзистора доступа от подложки, но к тому времени уже появились технологии с тремя карманами и эпитаксиальными слоями, так что серьезных сложностей не возникло.
Ячейки этого типа используются до сих пор: от чипов емкостью 64 Мбит до новейших кристаллов, содержащих 16 Гбит! Мы в Kingston тоже не остаемся в стороне от прогресса и уже начали внедрять самые современные чипы емкостью 16 Гбит. Kingston начала поставки модулей RDIMM емкостью 64 ГБ в декабре прошлого года, а также обновила всю линейку продуктов в июле 2020 года.
Сервер Премьер , добавив решения на базе 16-гигабитной памяти общей емкостью 16 или 32 гигабайта.
Что дальше?
Переход на 16-гигабитные чипы — важный шаг, но далеко не последний, хотя, как и в случае с традиционной технологией CMOS, плотность упаковки DRAM уже приближается к физическому пределу.На рисунке ниже вы можете увидеть все основные конструкции ячейки динамической памяти.
На «первом этапе» разработки DRAM ячейка была совершенно плоской, и память принципиально не отличалась от обычной технологии CMOS. На втором этапе ученые и технологи приложили много усилий для исследования и реализации, казалось бы, всех возможных вариантов трехмерного конденсатора, но чип памяти, как и на первом этапе, содержит один слой транзисторов и один слой конденсаторы.
Такие технологии просуществуют еще какое-то время, но не за горами третий этап, на котором плотность упаковки придется увеличить еще больше.
Транзистор станет вертикальным? Будет ли на одном чипе несколько слоев ячеек памяти? Мы этого пока не знаем, но ясно, что менее интересным от этого не станет! Для получения дополнительной информации о продукции Kingston свяжитесь с официальный сайт компании.
Теги: #Производство и разработка электроники #Компьютерное оборудование #Хранение данных #Накопители #DRAM #МОП-транзистор #микропроцессоры #КМОП-чип #статическая ячейка памяти #область ячейки #статическая память #Компьютер «Водолей» #Роберт Деннард #первая ячейка динамической памяти
-
Аммиак
19 Oct, 24 -
Калькулятор Пошлины На Ebay.ru
19 Oct, 24 -
Динамическое Размытие На Android
19 Oct, 24 -
8 Странных Мифов О Hr-Технологиях
19 Oct, 24
