記憶の未来はどうなるのか？ MRAM が最も有望です

記憶の未来はどうなるのか？インテルは間違いなく、将来のテクノロジーに最も賭けているメーカーの 1 つです。 Rambus DRAM から後の Optane 3DXpoint メモリに至るまで、同社はより高度なテクノロジーへの探求と願望を示してきました。残念ながら、Intel が期待していたこれら 2 つのメモリ技術は、最終的には自らの手で死刑を宣告されることになり、人々はため息をつきます。

Optane のカーテンコールの後、誰もが注目する価値のあるテクノロジーは何でしょうか?

Coughlin Associates の Tom Coughlin 氏と Objective Analysis の Jim Handy 氏が最近レポートを発表しました。 2 人の半導体アナリストが 5 つの新興ストレージ技術の見通しについて詳細な分析を行い、そこから技術開発を垣間見ることができるかもしれません。

アナリストらはまず、Optaneの失敗から得た教訓をまとめた。半導体製造の本質は、生産量が増えれば増えるほどコストが下がることです。 Optane があれば、インテルは生産能力を増強して価格を下げ、チップの販売を促進できたかもしれません。しかし、Optane の初期生産能力は十分ではなく、チップのコストが高くなり、この部分の損失を自ら負担しなければなりませんでした。生産能力の増加が正当化され、最終的に各チップのコストが削減され、それによって大幅な利益が得られるまで、売上は増加し続ける必要があります。

これはまた、新興メモリ市場において規模の経済が我々が考えている以上に大きな役割を果たしている可能性があることを示しており、レポートではコスト同等を達成するにはウェーハ体積が競合技術の体積の10%近くでなければならないという結論を示している。

Optane が段階的に失敗する過程で、MRAM、相変化メモリ (PCM)、強誘電体 RAM (FERAM)、抵抗性メモリ RAM (ReRAM)、NRAM/UltraRAM を含む 5 つの新興ストレージテクノロジが登場し始めました。これらは、NAND および NOR の拡張限界を超え、DRAM および SRAM よりも消費電力が少ないことが期待されています。

FRAM/FeRAM

FRAM は 1952 年に発明され、最も古い新興メモリです。現在、40 億個を超える FRAM チップがさまざまなデバイスに搭載されています。名前に鉄が入っていますが、FRAMには鉄は一切使用されていません。強磁性と同様のヒステリシスループがあり、このヒステリシスループによりデータを保存できます。

FRAM の原理は、特定の結晶格子の固有の物理的特性を利用することです。強誘電体材料では、原子は格子内の 2 つの安定な位置のうちの 1 つを占めることができます。電場は、電場の極性と、トラップされた原子の位置に応じた物理的特性 (おそらく静電容量または抵抗) に応じて、格子内の可動原子を 2 つの安定位置のいずれかに移動します。

現在も多くのメーカーが FRAM を製造しています。たとえば、インフィニオンは主にディスクリート FRAM チップを生産していますが、テキサス・インスツルメンツと富士通はその技術を MCU に組み込んでいます。富士通は地下鉄の切符にもFRAMを埋め込んでいる。この使用の主な理由は、FRAM の書き込みエネルギー消費量がストレージテクノロジの中で比較的低いためです。

FRAM が発明されるまでになぜこれほど時間がかかったのか、何十億ものチップが生産されているにもかかわらずまだ知られていないのはなぜですか、そして FRAM が依然として新興ストレージテクノロジとしてリストされているのはなぜでしょうか?

その理由は、FRAM は以前は主にチタン酸ジルコン酸鉛 (PZT) とタンタル酸ストロンチウムビスマス (SBT) をベースとしていたが、どちらの材料にも鉛またはビスマスが含まれており、これらが工場への汚染の原因となるため、生産能力が制限されるためです。幸いなことに、2011 年に、酸化ハフニウム (HfO) が特定の条件下で強誘電特性を持つことが発見されました。 HfO は、FinFET で使用される High-K ゲート誘電体の基礎です。生産能力の問題を解決するだけでなく、汚染も引き起こしません。したがって、HfO はまだ正式に生産には使用されていませんが、将来の見通しは非常に明るいです。

フラッシュメモリと比較して、FRAM の利点としては、消費電力が低い、書き込み速度が速い、最大読み取り/書き込み耐久性が高いことが挙げられます。 FRAM のデータ保持時間は +85°C で 10 年以上 (低温では最大数十年) ですが、フラッシュメモリデバイスよりも記憶密度がはるかに低く、記憶容量が限られており、コストが高いという欠点もあります。 2021 年の時点で、さまざまなベンダーが販売するチップのストレージサイズ (密度) は 16 MB を超えません。

現在、FRAM は CMOS テクノロジーを介してチップに埋め込まれており、MCU が独自の FRAM メモリを搭載できるようになり、MCU チップにフラッシュメモリを埋め込む場合よりも段数が少なくなり、コストが大幅に削減されます。

PCM

Intel の Optane メモリの発売により、相変化メモリ (PCM または PRAM) は、新興メモリテクノロジの中で長い間収益をリードしてきました。実際、1970 年にはインテルのゴードン・ムーア、ロン・ニール、D-L ネルソンが 256 ビット PCM プロトタイプに関する記事を共同執筆していました。研究開発の歴史は長く、他のストレージ技術と比べても遜色ありません。

PCM の起源は、オフシンスキーがアモルファス材料とその相変化特性を研究するためにエネルギー変換研究所を設立した 1960 年に遡ります。この研究室は 1964 年にエネルギー変換デバイス (ECD) と改名され、オブシンスキーの多くの革新技術の 1 つは、彼の名にちなんで名付けられたオボニクス相変化メモリでした。最終的に Intel は ECD と協力して Ovonics 相変化メモリの知的財産ライセンスを取得し、2015 年に 3DXPointPCM を正式にリリースしました。

Intel以外にも、STMicroelectronicsはPCMプログラムメモリを搭載したマイクロコントローラ（MCU）を生産しており、SamsungやMicronなどのストレージメーカーも10年以上前にPCMNORフラッシュメモリの代替製品を量産していましたが、これらの製品の存在は非常に短かったです。

PCM の基礎は、標準の CMOS ロジックチップの上に堆積されたガラス材料です。この物質はガラスの特性に応じて状態を変化させます。ガラスは結晶状態から非晶質状態に変化し、それぞれ導電状態または抵抗状態に対応します。ストレージ容量を増やすには 2 つの方法があります。1 つは Intel と Micron が注力している 3 次元スタッキングであり、もう 1 つは IBM が画期的な進歩を遂げたマルチバリュー技術です。

フラッシュメモリと比較して、PCM には、強力な組み込み性、優れた再現性、優れた安定性、CMOS プロセスとの互換性など、多くの利点があります。実際、これまでのところ、PCM に対する明確な物理的限界は見つかっていません。相変化材料の厚さを 2nm まで薄くしても、デバイスは相変化を起こすことができます。

PCM の最大の利点は、クロスポイント構成を使用して 2 本の直交する導電線の交差点にデータを保存できることであり、これにより積層が容易になり、チップサイズと製造コストが 3D NAND を除く成熟したテクノロジーよりも低くなります。

しかし、PCM には無視できない欠点もあります。熱は依然として大きな問題です。メモリは熱的に安定しており、高温のアプリケーションにも対応できますが、セルのプログラミング時に発生する熱が隣接するセルに影響を与える可能性があります。局所的な加熱により、バッテリーの上に隙間が生じる可能性があります。さらに、フラッシュメモリはセルごとに複数のビットを保存および検出できるため、PCM よりも記憶容量が優れています。

近年、インメモリコンピューティングにおける PCM の応用に強い関心が集まっています。このアイデアは、PCM のアナログストレージ機能とキルヒホッフの回路法則を活用して、行列とベクトルの乗算演算などのコンピューティングタスクをメモリアレイ自体で実行するというものです。 2021 年に、IBM は 14nm CMOS テクノロジーノードに統合されたマルチレベル PCM に基づく成熟したメモリコンピューティングコアをリリースしました。

MRAM

磁気 RAM (MRAM) は、すべての磁気記録 (ハードディスク、テープなど) の物理原理に基づいたテクノロジーですが、その応用方法では機械的要素が排除されています。現時点では、Motorola と Freescale の研究結果から生まれた企業である Everspin がこのテクノロジーのリーダーであり、2021 年の営業利益は 4,400 万米ドルです。

さらに、Avalanche と Numem が最近 MRAM 製造の仲間入りを果たし、TSMC、GlobalFoundries、Samsung などのファウンドリが組み込み MRAM プロセスを開始しました。現在、MRAM プロセスは、IoT アプリケーションやマイクロパワーデバイス用の SoC で使用され始めています。

MRAM には多くの種類がありますが、その構造は非常に似ています。これらはすべて、巨大磁気抵抗 (GMR) センサーと磁気スイッチング素子の組み合わせとしてコバルトとマグネシウムの層を使用しています。ハードディスクの読み取り/書き込みヘッドにも広く使用されています。彼らの主な利点はスピードです。多くの人は、MRAM が将来高速 SRAM に置き換わることを想像しています。

長年の研究の結果、MRAM はさまざまなタイプとルートに分類されました。STT-MRAM は、非アクティブ時に SRAM メモリがエネルギーを「漏洩」する問題を効果的に解決します。 SOT-MRAM は、デバイスの耐久性と読み取りの安定性を大幅に向上させ、STT-MRAM デバイスに固有のオープン性を排除します。オフディレイ。 VCMA-MRAM は STT-MRAM の消費電力をさらに削減しますが、書き込み速度は比較的遅いです。 VG-SOT は最初の 2 つの利点を組み合わせていますが、製造プロセスがより複雑であり、機能を検証する必要があります。 (VG-)SOTMRAM は、シミュレートされたメモリコンピューティングにおいてより大きな可能性を秘めています...

長年にわたり、書き込み速度、信頼性、消費電力、面積消費の間でトレードオフがあり、組み込みフラッシュおよび最終レベルキャッシュ用の STT-MRAM、下位レベルキャッシュ用の SOT-MRAM、超低電力アプリケーション用の VCMA-MRAM、そして最後に VG-MRAM など、特定の特性に応じてまったく異なるアプリケーションを持つ、さまざまなタイプの MRAM メモリデバイスが登場してきました。 VG-SOTMRAM は究極の統合キャッシュとして機能し、インメモリコンピューティングの利点も備えています。

MRAM では通常、データは磁性を変更できる「自由」層に保存され、製造時に設定された「固定」層と比較されます。GMR センサーは 2 つの違いを検出する役割を果たします。ほとんどの MRAM バリアント間の最大の違いは、データの書き込み方法です。すべての MRAM はビットセルごとに少なくとも 1 つのトランジスタを使用しますが、多くの MRAM は 2 つのトランジスタを使用し、かなりの電流を消費するため、この技術は他の技術に比べて製造コスト効率が低くなります。

MRAM は SRAM と互換性のある読み取り/書き込みサイクルを備えているため、最小限の遅延でデータを保存および取得する必要があるアプリケーションに特に適しています。低遅延、低消費電力、無限永続性、スケーラビリティ、不揮発性をうまく組み合わせています。

MRAM は磁気技術として本質的に耐放射線性があるため、価格にあまり左右されない航空宇宙用途で人気があります。さらに、MRAM は IBM のフラッシュメモリコアモジュールなどのエンタープライズストレージにも使用されており、予期せぬ停電が発生した場合のバッファとして Everspin の MRAM が使用されています。

MRAM は産業用途においても幅広い展望を持っています。アナリストらは、産業用アプリケーションには非常に高速な書き込み機能が必要であり、不揮発性ストレージが必要だと述べている。ただし、NAND フラッシュメモリ、NOR フラッシュメモリ、および EEPROM はすべて書き込みが非常に遅く、大量の電力を消費します。追加のバッテリを備えた SRAM は、数年ごとにバッテリを交換する必要があります。対照的に、MRAM はこれらのシナリオに適しているようです。

自動車産業は、MRAM が非常に人気がある重要な理由の 1 つです。 MCU の需要の増加とフラッシュメモリのコストの上昇により、多くのサプライヤーがフラッシュメモリから eMRAM に切り替え始めています。 2022 年にルネサスエレクトロニクスは STT-MRAM テストチップの発売を発表しました。 FEOLで製造されたフラッシュメモリと比較して、BEOLで製造されたMRAMは既存のCMOSロジックプロセス技術と互換性があり、追加のマスク層の必要性が少ないため、22nm以下のプロセスで利点があると同社は述べた。

IBMはもっと楽観的だ。「約3年以内に、路上を走るすべての新車を指さして、その車にはeMRAMが搭載されていると言えるようになるだろう」とIBMの著名な研究者兼シニアマネージャーのダニエル・ワーレッジ氏は語った。「先進ノードには埋め込みフラッシュはなくなり、すべてのファウンドリがその開発を停止し、移行期間はファウンドリによって異なりますが、22nmと28nmになります。」

リラム/RRAM

1971 年、カリフォルニア大学バークレー校のレオン・チュアは、「Memristor—The Missing Circuit Element」というタイトルの理論論文を書きました。この論文では、4 番目の基本的な受動電子デバイスであるメモリスタについて説明しています。メモリスタは、デバイスに以前に流れていた電荷の量に基づいて、自身を流れる電流を調整できます。現時点では、memristor は単なる理論であり、他の 3 つの基本的な受動電子部品 (抵抗器、コンデンサー、インダクター) の動作を記述する方程式の対称性要件を満たす仮説上のデバイスです。

それから約 40 年後の 2008 年、HP Labs は二酸化チタンを使用したメモリスタの作成に成功したと発表しました。 Memristor は、アナログまたはデジタルデータを保存するために使用できる非バイナリデバイスです。当時、DRAM はもう終わりに近づいており、メモリスタは抵抗メモリまたは RRAM の形で置き換えられるだろうと予測する人もいました。当時、HP は今後の月面コンピューターに RRAM を使用すると述べました。

しかし2015年、HPはその決定を覆し、月面コンピューターにメモリスタの代わりにDRAMを使用すると発表した。 HP が memristor 製造の成功を発表してから 15 年が経過しましたが、RRAM 革命はまだ起こっておらず、すぐに起こるとも思えません。

MRAM と同様に、抵抗膜 RAM (ReRAM または RRAM) にもいくつかのバリエーションがあり、それらはすべて標準の CMOS ロジックの上に特殊な材料を堆積することによって作られています。

ReRAM ファウンドリプロセスは主に TSMC、Winbond、GlobalFoundries によってサポートされています。ルネサス（アデストの買収により）、富士通、マイクロチップ、ソニーは独立した製品として ReRAM を生産しています。 Nuvoton Technology はこれをマイクロコントローラーで使用しています。現在、世界中の多くの企業が ReRAM プロセスを開発しています。

ReRAM の技術原理は、抵抗性 RAM セルで 2 本のワイヤに電流を流し、ビットセルの抵抗が高いか低いかを検出するというものです。通常、セルの状態は電圧を正または負の方向に増加させることによって変化し、それによってセルの抵抗が増加または減少します。これは、金属イオンや酸素欠損などの導電性元素をブリッジ内に移動させるか、既存のブリッジからこれらの元素を除去することによって実現されます。他のほとんどの新興メモリテクノロジ (PCM、MRAM、および FRAM) もメモリビットの状態を示すために可変抵抗器を使用しているため、ReRAM のカテゴリに分類されると主張する人もいるかもしれません。

ReRAM の主な特徴は、PCM と同様に、スタッキング用のクロスポイントセルに組み込むことができ、単一ビットセルに線形値を格納できるため、将来的にはニューラルネットワークにも使用される可能性があります。

ReRAM の主な利点は、消費電力が少なく、従来のストレージデバイスのようにストレージ状態を維持するために多くのエネルギーを消費する必要がないことです。一部の RRAM 材料は複数の抵抗状態を持ち、1 つの記憶ユニットに複数ビットのデータを保存できるため、記憶密度が向上します。ただし、ランダムな読み取りおよび書き込みの速度と耐久性の点で、他の新興テクノロジーに比べて利点はありません。

長年にわたり、ReRAM テクノロジーに関連する特許出願の数は増加しています。特に2010年以降、特許出願件数は大幅に増加しています。現在、サムスンが最も多くの関連特許を保有しており、マイクロンとSKハイニックスがそれに続く。大手ストレージメーカーがこのテクノロジーに興味を示しています。

NRAM/ウルトラRAM

NRAM は、Nantero 独自のコンピュータメモリテクノロジです。これは、チップ状の基板上に堆積されたカーボンナノチューブの位置に基づく不揮発性ランダムアクセスメモリです。理論的には、ナノチューブのサイズが小さいため、非常に高密度のメモリが可能になります。

Nantero は、他のメモリデバイスとは異なる動作をする NRAM の研究に 20 年近くを費やしてきました。これは、触媒粒子 (最も一般的には鉄) から成長したカーボンナノチューブの層から作られています。各 NRAM の「セル」またはトランジスタはカーボンナノチューブのネットワークで構成され、他の不揮発性 RAM テクノロジーと同じ原理で動作します。互いに接触していないカーボンナノチューブは、「オフ」または「0」状態を表す高抵抗状態を示します。カーボンナノチューブが互いに接触すると、「オン」または「1」状態を表す低抵抗状態を示します。

NAND や DRAM と比較して、NRAM はエネルギー消費が低く、スタンバイモードでの消費電力がゼロに近く、書き込み速度が速く、無制限の拡張性を備えています。 FRAM は 100 ナノメートルを突破することはできませんが、EEPROM は一般に 60 ナノメートル以上、NORFlash は 10 ナノメートル以上、NRAM は 5 ナノメートルまで進めることができ、将来の拡張の余地は比較的大きいです。

従来のフラッシュメモリに対する NRAM のもう 1 つの大きな利点は、ほぼ無制限の読み取りおよび書き込みサイクルを可能にする耐久性です。また、熱、寒さ、電磁干渉、放射線に対して耐性があります。ナンテロ氏によると、これらは摂氏85度で数千年間保存でき、摂氏300度で10年間テストしてもデータは1ビットも失われないという。

NRAM はデータの保存だけでなくプログラムの保存にも使用できます。この機能は家電市場にとって非常に魅力的です。現在、スタンドアロンNRAMと組み込みNRAMの製品開発プロジェクトが進行中です。スタンドアロン NRAM は、DRAM の代替、NAND フラッシュの代替、および DRAM も NAND フラッシュもアドレス指定できないアプリケーションの 3 つの目的で追求されています。組み込みメモリの分野では、組み込みフラッシュメモリや組み込み RAM (SRAM または DRAM) などの組み込み不揮発性メモリの代わりに組み込み NRAM を使用する研究が進行中です。

2016年、富士通とUSJCはNantero社と合意に達し、NRAMの開発、設計、製造を行うNRAM技術認可を取得したと発表した。 NRAM 製品の第 1 世代として、富士通の 16M ビット DDR3SPI インターフェイス製品は 2021 年頃に発売される予定です。

要約する

AI、モノのインターネットなどの分野の台頭により、ビッグデータの応用はますます広がり、これらの新しい分野ではストレージに対する新たな需要が生まれています。高速読み取り速度、高記憶密度、長寿命、低電圧、小型化が現在最も急務となっているが、現在の数種類の記憶装置ではもはや十分ではない。

これは、上記の 5 つのストレージテクノロジにとっても新たな機会を提供します。どのストレージテクノロジーであっても、それぞれに独自の特徴があり、フラッシュメモリに比べて大きな利点があります。中でも、MRAM は、豊富な種類、広範なアプリケーションの見通し、明らかな包括的な利点により、半導体アナリストの間で最も楽観的なテクノロジーとなっています。

しかし、これは MRAM が確実に勝者であることを意味するものではありません。他のストレージ技術の開発と応用により、それを置き換える可能性があります。どのようなストレージテクノロジーが未来となるかはまだわかりません。

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