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[导读]摩尔定律已经趋缓,现在的增长每年只有几个百分点,所以芯片计算系统的性能也不再能延续过去30多年内的高速增长。工艺节点的突破之外,还可以在整体计算架构上来想办法。很多新的概念被提了出来,其中有一种思路就是提高存储器与计算芯片之间的数据交换效率,甚至做到存储内计算芯片--即存算一体化。

摩尔定律已经趋缓,现在的增长每年只有几个百分点,所以芯片计算系统的性能也不再能延续过去30多年内的高速增长。工艺节点的突破之外,还可以在整体计算架构上来想办法。很多新的概念被提了出来,其中有一种思路就是提高存储器与计算芯片之间的数据交换效率,甚至做到存储内计算芯片--即存算一体化。

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(图片来源:应用材料公司)

但其实所谓的新型存储器,譬如ReRAM、PCRAM和MRAM等等,早就面世很多年,优势也都被大家所认可。迟迟没有大范围出货的原因就在于生产方面面临着诸多独特的挑战:譬如材料种类多、处理工艺复杂、需要多层沉积、原子级精准控制等。

近日,应用材料公司宣布正式发布其专门针对新型存储器材料量产的Endura® CloverTM PVD 和ImpulseTM PVD 系统。应用材料中国公司首席技术官赵甘鸣博士和全球产品经理周春明博士为大家解释了如何通过新产品和新剧本来推动PPAC(性能performance、功耗power、面积成本area-cost)的提升。

新型存储器提高计算效率

不论是在边缘侧还是在云端,存储器的性能在整个计算系统里面常常会是短板。据周春明博士介绍,“万物互联、工业4.0”等就造成数据爆炸式增长,去年(2018)机器产生的数据超过了人类产生的数据,这是历史上第一次。未来到2022年,机器产生的数据可能就是人类数据的9倍之多。所有产生的数据都要从终端、从边缘,然后通过各层传输、计算,然后再到云端、到大数据中心,再计算、再返回到终端,整个过程都需要更强大的计算能力的支持。

为了提升系统计算效能,在摩尔定律放缓的情况下,我们可以看到新型存储器已经成为了一种提升系统整体算力的途径。在边缘端正在发生的趋势是采用MRAM来取代全部的闪存和一部分SRAM;在云端的演变趋势是采用PCRAM/ReRAM来取代一部分的DRAM和SSD/HDD。

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(图片来源:应用材料公司)

MRAM即磁性随机存取存储器,它不占用“硅”的面积,可以直接嵌入到逻辑电路中。同时它可以做的非常小——一个晶体管一个存储单元。PCRAM即相变随机存取存储器,ReRAM即电阻随机存取存储器。这两类存储器可跟NAND一样实现3D的架构,因此存储密度的提升很容易实现,可以降低成本,所以在云计算、大数据中心应用中很有价值。

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(图片来源:应用材料公司)

边缘端大多为电池供电,对于功耗极其敏感。MRAM相比eFlash+SRAM在功耗方面可以低很多,因为它是一个非易失性存储,所以在待机时候并不会像SRAM一样产生漏电流;并且MRAM的存储密度也相对较高,价格相对便宜,但是读取的速度比SRAM会稍差一些。云端应用中PCRAM/ReRAM的读写速度比NAND要快的多,而成本上比DRAM更低。在同样一个数据中心中实现相似性能可以节约大概4成的成本。

Endura系统加速新型存储器量产

新型存储器的优势明显,但是在生产上面临着特殊的挑战。周春明博士表示,MRAM架构看起来只要跟一个晶体管整合那么简单,但是存储单元需要10种材料超过30层的沉积——需要在亚原子级进行沉积,实现精准地薄膜层。

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(图片来源:应用材料公司)

Endura® CloverTM MRAM PVD平台就是业内首款,专门针对大规模量产的生产级MRAM平台。这是一个集成式相当高的平台,可以在真空条件下执行多个工艺步骤,完整地将MRAM制造所需的10种材料和30多层进行一站式的堆积。

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(图片来源:应用材料公司)

据悉,Endura的核心技术就是Clover PVD,一个腔室可以实现5种材料处理,在亚原子级别实现薄膜沉积。而且应用材料公司提供的氧化镁技术采用的是陶瓷溅射的方式,因此具有更高的薄膜纹理和界面,在性能方面相比其它氧化镁系统更为强大,而且在耐久度方面是其它氧化镁系统的100倍以上。

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(图片来源:应用材料公司)

除了通过PVD进行沉积外,在不同的步骤之间还有加热和冷却的处理过程来实现材料改性。Endura® CloverTM MRAM PVD平台内还有专门的用于加热和冷却的舱室,进行350度以上的退火和零下120度的冷却处理。周春明博士称:“我们现在控制的已经不是材料本身,而是在材料结构、界面、晶型进行匹配,所有这些因素都要串在一起才可以真正实现我们所说的低功耗、高性能的MRAM的设备。”

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(图片来源:应用材料公司)

而在PCRAM和ReRAM方面,如上图所示,PCRAM和ReRAM是一个多层的结构,虽然没有像MRAM一样有30多层的沉积,但是材料都非常特殊。这些特殊材料需要做到精准沉积,成分均匀。应用材料公司的Endura® ImpulseTM PVD平台即是专门针对PCRAM和ReRAM的大规模量产推出的高集成化解决方案。集成式材料解决方案可在真空条件下实现所需的PCRAM和ReRAM薄膜的精确沉积,对复合薄膜进行 严格的成分控制有助于实现最佳的器件性能,通过实现出色的薄膜厚度、均匀性和界面控制,从而促进产量提升。

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(图片来源:应用材料公司)

应用材料公司提供的沉积方案的优势在于其整个过程都是在完全真空的高度集成化的环境中完成的,但因为沉积步骤很多,任何一步如果不能达到要求,那么后面所有的步骤都会受到影响。如何保证每一步的沉积都能达到要求呢?这就要提到其专门的机载计量技术。据称这是业界唯一具有 1/100 纳米分辨率的机载计量技术,可以在真空的条件下实时监测沉积过程中的关键参数,针对检测结果随时给出反馈。

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(图片来源:应用材料公司)

新型存储器其实已经讨论了多年,但是受限于生产的独特挑战,一直没有大规模商用的机会。此次应用材料公司推出的Endura Clover 和Impulse PVD 系统,通过高度集成的设计,可以在一个平台上就实现精准地沉积,扫除了新型存储器在大规模量产上的障碍。相信在未来的几年的时间内,借助新型存储器的普及,计算系统算力和效能可以得到进一步的提升。

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(图片来源:应用材料公司)

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