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18 The Official Daily Tag 2 – Mittwoch 16 November 2022 Speicher ❚ DRAMs und NAND-ICs ablösen? Auf diese Speichertechnologien setzt Imec Wie sich die verschiedenen Speichertechnologien entwickeln werden und welche Kandidaten er sieht die DRAMs und NAND-Flash-ICs ablösen könnten erklärt Arnaud Furnémont Vice President R D Memory and Compute von Imec im Interview mit Markt Technik Markt Technik Welche Hauptkriterien werden Ihren Forschungsbereich in den kommenden Jahren bestimmen? Arnaud Furnémont Ich sehe derzeit drei wesentliche Triebfedern für mehr Forschung sowohl im Bereich des aktiven Arbeitsspeichers als auch der Datenspeicherung An erster Stelle steht die anhaltende Nachfrage nach mehr Speicher pro Volumen und zu geringeren Kosten pro Bit Diese Entwicklung ist untrennbar mit der ständig steigenden Leistung von Computersystemen verbunden die dank der Fortschritte bei Hardware entsprechend Moore’s Law und Software – KI und maschinelles Lernen – immer mehr Daten verarbeiten können Ein zweiter Trend ist die »Memory Wall« bei datenintensiven High-Performance-Computing-Anwendungen also die Schwierigkeit schnell genug auf die Daten zuzugreifen Dies treibt die Forschung zur Verbesserung der Konnektivität zwischen Logik und Speicher voran beispielsweise mithilfe von 3D-Bonding wodurch die Speicherchips näher an die Logik heranrücken erzeugt aber auch Nachfrage nach eingebettetem Speicher mit hoher Dichte der als letzte Cache-Ebene verwendet wird Drittens führt der Trend mehr Dies pro Volumen unterzubringen zu thermischen Problemen – eine Herausforderung die sich zunehmend auf der Speicherseite von Hochleistungssystemen auswirkt wie etwa bei High Bandwidth Memories HBMs in denen mehrere DRAM-Chips dicht übereinander gestapelt sind Das klingt nach evolutionärer Fortentwicklung Erwarten Sie grundlegendere Änderungen? Für die weitere Zukunft erwarte ich dass andere Faktoren an Bedeutung gewinnen werden Die Entwicklung hin zu Kryo-CMOS-Schaltkreisen und Quantencomputersystemen könnte zu einem Bedarf an Kryospeichern führen Auch die Nachhaltigkeit wird der Speicherforschung einen immer größeren Stempel aufdrücken weil der weltweite Anteil der Wafer auf denen Speicher-ICs produziert werden weitaus größer ist als der für Logik Schließlich könnte die Entwicklung hin zu analogem In-Memory Computing für die Implementierung der Gewichte neuronaler Netze in Deep-Learning-Anwendungen die Türen zu neuen nichtflüchtigen neuromorphen Konzepten öffnen Seit Langem wird nach Alternativen zu den bekannten DRAM-SRAMund Flash-Speichern gesucht Was tut sich aktuell auf diesem Gebiet? Im Laufe der Jahre hat die Industrie in enger Zusammenarbeit mit Forschungsinstituten wie Imec eine Reihe von relativ neuen Speichertechnologien erforscht – darunter resistive RAM ReRAM magnetische Speicher Varianten von MRAM Phasenwechsel-Speicher PCM und ferroelektrische Speicher – sowohl für eigenständige als auch für eingebettete Anwendungen Diese neuen Speicher könnten entweder die klassischen Speicher wie SRAMs DRAMs und NAND-Flash-ICs ersetzen oder die Lücke zwischen dem schnellen und teuren DRAMs und den langsamen und billigen NAND-ICs den sogenannten Storage-Class Memories SCM in den traditionellen Computerhierarchien schließen Wirklich durchgesetzt hat sich aber keine dieser neuen Technologien Grundsätzlich stimmt das die meisten neuen Speichertypen hatten Schwierigkeiten sich auf dem Markt durchzusetzen Dies veranlasste die Speicherhersteller sich wieder auf die Skalierung von DRAMs für den aktiven Speicher und von NAND-Flash-ICs für die Datenspeicherung zu konzentrieren um die klassischen Anforderungen an die Dichte zu erfüllen Das heißt es gibt auch Ausnahmen? Allerdings gibt es ein paar bemerkenswerte Ausnahmen Eine davon ist das MRAM das zwar noch nicht zum Mainstream gehört aber bereits als Alternative zu eingebettetem Flash eingesetzt wird Auch einer unserer Partner hat angekündigt 16-nmembedded-MRAM zu integrieren um die SRAMs als letzte Ebene des Cache-Speichers zu ersetzen Das könnte den Durchbruch für diese Technologie bringen Lohnt es sich aus der Sicht von Imec noch im Bereich bei der etablierten Speicher-IC-Technologien weiter zu forschen? Imec geht die Probleme zweigleisig an Erstens unterstützen wir unsere Speicherpartner dabei die Roadmaps der klassischen DRAMund NAND-Flash-Technologien so weit wie möglich zu erweitern Zweitens erforschen wir neue Speicherkonzepte die über das hinausgehen was heute existiert Können Sie ein Beispiel dafür geben was auf dem Gebiet der etablierten Technologien erforscht wird? Ein Beispiel dafür ist die Entwicklung der NAND-Flash-Technologie für Speicher die sich am dichten langsamen und billigen Ende der Speicherhierarchie befindet Um die Nachfrage nach immer höheren Bitzelldichten zu befriedigen ist NAND-Flash in die dritte Dimension vorgedrungen mit heute über 200 Schichten und Bitzellen die in einer Gate-All-Around-Architektur GAA angeordnet sind Weil die Anzahl der Schichten zunimmt besteht der Druck die Schichtdicke durch Skalierung des z-Pitch zu verringern und die Zellabmessungen in xy-Richtung zu reduzieren Imec konnte extrem skalierte 3D-NAND-Flash-Bausteine mit 25 nm z-Pitch demonstrieren und arbeitet an alternativen Zellarchitekturen etwa der Trench-Zelle um die Bitzellen in xy-Richtung zu verkleinern Darüber hinaus erweitert Imec die Speicher-Roadmap auf Bereiche mit geringerer Latenz Hier weist der 3Dferroelektrische FET FeFET vielversprechende Eigenschaften auf Parallel dazu blicken wir über die aktuellen 3D-NANDähnlichen Architekturen hinaus um Tbit mm 2 -Speicher-Optionen zu identifizieren wie unsere flüssigkeitsbasierten Konzepte Welche Fortschritte sind hier bereits erzielt worden? Auf der IEDM-Konferenz 2021 haben wir weitgehend verbesserte Eigenschaften unserer kondensatorlosen Indium-Gallium-Zink-Oxid IGZO -basierten DRAM-Zelle demonstriert die den Weg zu hochdichtem 3D-DRAM als Hauptspeicher für Computer ebnen Heute verwendet die Industrie immer noch 1-Transistor-1-Kondensator 1T1C -Zellenarchitekturen um planare skalierte DRAM-Speicher-Arrays zu ermöglichen und wir glauben dass diese klassische Roadmap für die nächsten fünf Jahre erweitert werden kann In der Zwischenzeit erforschen einige unserer Partner 3D-DRAM als einen Weg zu einem eigenständigen DRAM mit höherer Dichte Wir tragen einerseits dazu bei indem wir verschiedene Möglichkeiten zur Herstellung der 3D-Struktur erforschen Unser Back-Endof-Linekompatibles 2-Transistor-0-Kondensator 2T0C -IGZO-DRAM-Zellenkonzept ermöglicht es zum Beispiel die Peripherie der Speicherzelle unter das Speicher-Array zu verlagern und einzelne DRAM-Zellen zu stapeln – und damit echte 3D-Struktren zu ermöglichen Andererseits untersuchen wir auch andere Channel-Materialien als Arnaud Furnémont Vice President R Dmemory and compute am Imec »Für mich liegen die spannendsten Momente in den frühen Phasen der Technologieentwicklung Ein erster erfreulicher Moment ist wenn man das Gefühl hat die eigentliche Problemstellung erkannt zu haben « Beispiel für eine mögliche 3D-DRAM-Integration auf der Basis eines alternativen Halbleiters Bi ld er Im ec