Что под капотом чипа DRAM, этапы развития технологии
«Всем знаком закон Мура, описывающий уменьшение размеров транзисторов в логических схемах. Для того, чтобы он продолжал работать, технологам приходится идти на все новые и новые ухищрения, однако их работу несколько усложняет то, что все чипы очень разные по структуре. А что было бы, если бы можно было оптимизировать технологию под конкретный дизайн микросхемы? Ответ на этот вопрос может дать динамическая память.»
Классический пример работы закона Мура — ячейка статической памяти. Ее схема давно известна и широко используется, занимая десятки процентов площади современных микропроцессоров и систем на кристалле. Именно площадь ячейки статической памяти стали использовать как мерило плотности упаковки новых технологий, когда стало понятно, что длина канала транзистора больше не может быть эталоном проектных норм. Учитывая важность статической памяти, технологи стараются подбирать параметры процессов так, чтобы не только в принципе увеличивать плотность упаковки элементов на кристалле, но и заботиться конкретно о статической памяти. Однако, на чипе всегда есть множество других схем, и если очень сильно упираться в оптимизацию именно памяти, это может выйти боком. Но что было бы, если бы технологию можно было полностью подчинить нуждам схемотехники? Ответ на этот вопрос может дать динамическая память.
DRAM
В отличие от шеститранзисторной ячейки статической памяти, элемент динамической памяти состоит из всего двух частей — одного МОП-транзистора и одного конденсатора. Это позволяет разместить на одном чипе большое количество информации. Но емкости памяти, как золота, никогда не бывает достаточно, а чипы DRAM обычно содержат только DRAM и производятся такими тиражами, что переделывать технологию под дизайн — вполне состоятельная идея.
Самая первая динамическая память появилась еще во Вторую мировую войну, в вычислительной машине Aquarius, одной из многих, при помощи которых англичане вскрывали немецкие шифры. Впрочем, до широкого внедрения динамической памяти пришлось ждать еще двадцать лет. Эти двадцать лет основным типом памяти в вычислительных устройствах была память на магнитных сердечниках — громоздкая, прожорливая 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 сэкономить на количестве элементов. В честь Деннарда, кстати, названо деннардовское масштабирование, которому должны следовать параметры КМОП-микросхем для того, чтобы работал закон Мура, так что его вклад в увеличение плотности упаковки микросхем поистине огромен.
На этой фотографии Роберт Деннард изображен вместе с ничем иным как схемой и разрезом ячейки DRAM.
Идея Деннарда была гениальна в своей простоте: сердце МОП-транзистора — это конденсатор, образованный затвором, подзатворным диэлектриком и подзатворной областью транзистора. Так почему бы не использовать этот конденсатор… как конденсатор? Если конденсатор заряжен — это логическая единица, если разряжен — логический ноль.
Как видите, все действительно очень просто, и эта простота стала основной коммерческого успеха одной всем известной компании с синим логотипом, первой коммерциализировавшей DRAM в начале семидесятых, а потом запустившей в качестве сайд-проекта микропроцессор 8008. Впрочем, с внедрением гениально идеи пришлось немного подождать, и ячейка самой первой динамической памяти, Intel 1103, содержала не один, а целых три транзистора, а на чипе было размещено 1024 таких ячейки. Почему целых три? Три все еще лучше, чем шесть, а изящная схема с одним транзистором требует наличия на борту относительно сложного усилителя чтения. В распоряжении Intel в 1970 году был процесс с только pMOS-транзисторами (длина канала 8 микрон), поэтому им пришлось сделать раздельные линии для записи и чтения данных.
С появлением КМОП-технологий стало возможно поместить на чипе усилители чтения, и тогда ячейка стала однотранзисторной.
Разрез простейшей ячейки DRAM. Слева транзистор доступа, справа МОП-конденсатор. Два варианта различаются режимом работы МОП-конденсатора, емкость которого на самом деле нелинейна и зависит от приложенного напряжения.
В «обычной» ячейке DRAM чтение происходит следующим образом: битовая линия заряжается до половины питания, после чего замыкается ключ доступа. Если напряжение на запоминающем конденсаторе выше половины питания, напряжение на битовой линии медленно пойдет вверх в результате перетекания в нее заряда из конденсатора. Если на конденсаторе ничего нет, то наоборот, заряд из битовой линии потечет в ячейку памяти, и напряжение на битовой линии начнет падать. К битовой линии подключен специальный усилитель, способный определить, стало напряжение на битовой линии уменьшаться или увеличиваться. Такие усилители способны измерить маленькую разницу в напряжениях, так что не нужно дожидаться полной зарядки или разрядки конденсатора ячейки памяти.
У этой идеи есть только один недостаток — разного рода неидеальности приводят к тому, что конденсатор медленно, но верно разряжается, и данные теряются. В статической памяти эта проблема решается тем, что ячейка содержит обратную связь, подкачивая в себя заряд взамен утекшего —, но эта обратная связь как раз и стоит лишних транзисторов. Что же делать, если мы все еще хотим сохранить схему из двух элементов? Время от времени считывать все данные в памяти и перезаписывать их заново. Как часто это нужно делать? Чем реже — тем лучше, чтобы не помешать нормальной работе памяти. Но для того, чтобы конденсатор разряжался медленно, он должен быть большим. Но большой конденсатор — это большая площадь, то есть меньше памяти на таком же чипе. Но если конденсатор маленький, то сохраненный в нем заряд не сможет повлиять на напряжение линии доступа, у которой тоже есть емкость. Правильно разрешить все эти дилеммы и выбрать подходящий размер конденсатора — это работа проектировщиков динамической памяти, не всегда тривиальная и сильно зависящая от особенностей конкретной технологии производства.
График, показывающий изменение ключевых параметров DRAM — площади чипа, площади ячейки и емкости ячейки.
Как видно из рисунка выше, требования к емкости конденсатора в ячейке статической памяти таковы, что она очень мало уменьшается от поколения к поколению. В обычном планарном исполнении конденсатор уже занимал большую часть площади ячейки, и этого было достаточно для памяти первых поколений — все чипы памяти объемом от 4 килобит до 512 килобит были произведены по такой технологии, а также довольно много чипов объемом 1 Мегабит. Объемы памяти росли вместе с уменьшением проектных норм, от 8 микрон в самой первой DRAM до 1.2–1.3 микрона в последних планарных DRAM середины восьмидесятых. И все же, довольно рано стало ясно, что бесконечно наращивать плотность упаковки просто при помощи уменьшения проектных норм не удастся, и нужно искать новые технологические решения, которые смогли бы поддержать емкость на том же уровне при сокращающихся размерах ячейки памяти. Так как же увеличить плотность упаковки?
Удивительно, но разработчики КМОП-технологий задались тем же вопросом намного позже и дотянули обычные планарные транзисторы аж до 28 нанометров. После этого они придумали принципиально вариант транзистора при переходе от проектных норм 28 нм к 22 нм, создав FinFET. Идея FinFET состоит в том, что канал транзистора размещается на подложке не горизонтально, а вертикально, позволяя разместить на одной и той же площади в несколько раз больше транзисторов такого же по сути размера.
Обычный планарный транзистор, планарный транзистор на FDSOI и FinFET. Желтым выделен подзатворный диэлектрик.
С конденсаторами в DRAM случилась точно такая же история, но на пару десятков лет раньше. Причем, если слой транзисторов в микросхеме всегда один (по крайней мере, в прошлом, сейчас и в ближайшем будущем), то конденсатор можно разместить в разных частях кристалла, не обязательно в том же слое, что и транзисторы. Возможных варианта, собственно, два: расположить конденсатор выше или ниже транзистора, и оба этих варианта нашли применение в реальных чипах памяти.
Отдельно стоит рассказать о том, что конкуренция в области DRAM в то время была крайне жестокой, и разработчики постоянно находились под колоссальным прессингом. Ключевыми клиентами были производители мэйнфреймов, от контрактов с которыми зависел не только финансовый успех поставщиков DRAM, но и их репутация: мэйнфреймы считались продуктами высокой надежности, и попадание в них было своеобразным знаком качества. Производители мэйнфреймов, разумеется, пользовались таким положением дел и нещадно давили как по ценам, так и по срокам разработки. Например, широко известен случай, когда компания Hitachi, бывшая одним из лидеров рынка DRAM в конце эпохи плоских ячеек, отказалась от доработок уже имевшихся у них опытных образцов объемных ячеек для чипов емкостью 1 Мбит, потому что оценочные затраты времени на исследования составляли полгода. Вместо этого Hitachi решили делать и 1 Мбит на плоских ячейках и, выиграв в краткосрочной перспективе, все равно оказались позади конкурентов уже довольно скоро после этого решения.
Конденсатор над транзистором
Разрез ячейки памяти с конденсатором, расположенным над транзистором.
Для того, чтобы расположить конденсатор над транзистором, потребовалось добавить в технологию два проводящих слоя и тонкий диэлектрик между ними. По технологическим причинам оказалось удобнее сделать проводящие слои не металлическими, а поликремниевыми — точно так же, как из поликремния делаются затворы транзисторов. Применение поликремниевых конденсаторов позволило уменьшить площадь ячейки памяти в два раза. Это, в сочетании с дальнейшим прогрессом в проектных нормах, позволило не только успешно освоить чипы с 1 Мбит на кристалле, но и довести емкость чипов памяти до 4 Мбит.
Примерно в это же время наметилось и важное изменение не только во внутренней структуре чипов DRAM, но и в том, как они использовались. Во-первых, стал стремительно расти рынок персональных компьютеров — появились дешевые и мощные процессоры, такие как Motorola 68000 и Intel 80286. Во-вторых, если ранние чипы памяти выпускались просто в корпусах для поверхностного монтажа и впаивались в платы мэйнфреймов, то производители и пользователи персональных компьютеров хотели большей гибкости. Так появились модули и разъемы SIMM, одним из пионеров коммерциализации которых на растущем рынке ПК стала основанная в 1987 году компания Kingston Technology.
На 4 Мбит на кристалле аппетиты пользователей, разумеется, не закончились, но ужимать площадь конденсаторов стало уже некуда. Выходом стало не горизонтальное, а вертикальное расположение конденсатора, показанное на рисунке ниже. Принципиально это почти такая же структура из двух слоев поликремния и диэлектриком между ними, но только не плоская, а в виде воронки.
Встроенная DRAM Nintendo Wii, проектные нормы транзисторов — 45 нм.
Изменений хватило для того, чтобы разместить на кристалле до 64 Мбит памяти, но и этого тоже в конечном счете оказалось мало. «Воронки» конденсаторов в конечном счете превратились в высокие тонкие цилиндры, занимающие минимум места не только в длину, но и в ширину.
Вот так выглядят эти цилиндрические конденсаторы.
Когда перестало хватать и этого, технологи научились делать поверхность обкладок не гладкой, а зернистой, таким образом, в несколько раз увеличивая ее площадь. Эта технология называется HSG — hemispherical grain (полусферические зерна). Дальше в ход, как и у транзисторов, пошли high-k диэлектрики, позволившие увеличить емкость за счет большей диэлектрической проницаемости и сделать еще несколько шагов, к емкостям уже в несколько Гигабит на кристалле.
Разрез цилиндрического конденсатора с полусферическими зернами.
У продолжающегося роста плотности упаковки, тем временем, сменился главный драйвер — после мэйнфреймов и персональных компьютеров пришло время мобильных устройств, чрезвычайно требовательных не только к функциональным характеристикам памяти, но также и к ее физическому объему, энергопотреблению и тепловыделению. Все эти факторы еще повысили важность дальнейшего совершенствования DRAM, хотя казалось, что важнее уже некуда.
Конденсатор под транзистором
Параллельно развивалось и другое направление, предполагающее размещение конденсатора под транзистором. Точнее, не «под», а все еще рядом, но только не горизонтально, а вертикально. В кремнии рядом с транзистором формируется углубление, по-английски называемое «trench», а по-русски «канавка». Поверхность этой канавки покрывается тонким слоем оксида, а потом весь объем заполняется проводящим поликремнием, подключенным к земле. Вторая обкладка конденсатора — это сток транзистора доступа.
Создание большой вертикальной структуры потребовало значительного прогресса во многих технологиях микроэлектронного производства. Например, крайне нетривиальной задачей и сейчас является создание отвесной, а не наклонной стенки, а также равномерного тонкого слоя оксида на ее поверхности. Кроме того, возникли и схемотехнические сложности в виде дополнительных путей утечки, причем на этот раз не просто в землю, а из одного бита в другой — по подложке, имеющей довольно высокое, но ненулевое сопротивление. Тем не менее, после некоторой доводки такая структура позволила довести емкость чипов памяти аж до 64 Мбит. Дальше продвинуться не удалось, потому что более близкое расположение канавок сильно увеличивает утечки и не позволяет полноценно реализовать преимущества такой технологии.
Появилась и еще одна, совершенно неожиданная проблема. Свинцовый припой, используемый для корпусирования чипов, содержит, как это ни удивительно, свинец. А свинец всегда содержит небольшие примеси урана, являющегося источником альфа-излучения. Альфа-частицы в тех количествах, в которых их производит свинец, не опасны, в том числе потому, что они имеют очень короткую длину пробега и не выходят за пределы корпуса микросхемы. А вот 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 весьма экзотически, но эта проблема оказалась серьезным препятствием при разработке и коммерциализации уже самой первой памяти с канавочными конденсаторами, и в дальнейшем борьба с ней привела к дальнейшим технологическим изменениям в ячейке. И от свинцового припоя в корпусах, разумеется, тоже стали избавляться.
Встроенная DRAM процессора IBM Power 7+. Обратите внимание, насколько глубоки канавки конденсаторов и насколько велик их технологический разброс.
Решением проблем и альфа-частиц, и утечек из одного конденсатора в другой стало перемещение заземленной линии из внутренней части канавки во внешнюю. Таким образом, заземленной линией стала подложка кристалла, а утечки из земли в землю не страшны, равно как и появление в линии земли «лишнего» заряда от альфа-частиц. Платой за такое элегантное решение стала необходимость отделить от подложки транзистор доступа, но к тому времени уже появились технологии с тремя карманами и эпитаксиальными слоями, так что больших сложностой не было. Ячейки подобного вида до сих пор в ходу, начиная от чипов емкостью 64 Мбит и до самых новых кристаллов, содержащих уже 16 Гбит!
Мы в Kingston тоже не остаемся в стороне от прогресса и уже начали внедрение самых современных чипов емкостью 16 Гбит. Kingston начала поставки модулей RDIMM емкостью 64 ГБ в декабре прошлого года, а в июле 2020 года также обновила всю линейку продуктов Server Premier, добавив в неё решения на базе 16-гигабитной памяти общей емкостью 16 или 32 Гигабайта.
Что дальше?
Переход на чипы с емкостью 16 Гбит — это важный шаг, но он далеко не последний, несмотря на то, что как и с обычной КМОП-технологией, плотность упаковки DRAM уже приближается к физическим пределам. На рисунке ниже вы можете видеть все основные конструкции ячейки динамической памяти.
В «первой фазе» развития DRAM ячейка была полностью плоской, и память принципиально не отличалась от обычной КМОП-технологии. Во второй фазе ученые и технологи приложили множество усилий, исследовав и внедрив, кажется, все возможные варианты трехмерного конденсатора —, но чип памяти при этом, ка ки в первой фазе, содержит один слой транзисторов и один слой конденсаторов. Таких технологий хватит еще на какое-то время, но уже не за горами третья фаза, в которой плотность упаковки должна будет еще вырасти. Станет ли транзистор вертикальным? Появятся ли на одном чипе несколько слоев ячеек памяти? Этого мы пока не знаем, но точно понятно, что менее интересно не станет!
Для получения дополнительной информации о продукции Kingston обращайтесь на официальный сайт компании.
