由于芯片的复杂程度增加,满足所有逻辑需要的负担越来越重
作者:Anthony Cataldo
最近几年发生的全球经济动荡掩盖了存储技术的悄然复兴,而这也许能够在本世纪头十年结束之前重塑业界的竞争势态。如果某个芯片制造商当前并未生产通用化存储芯片,那么它肯定就在研究用于未来器件的存储单元。原因在于:当芯片制造商们在单个硅片上放置了越来越多的逻辑晶体管的时候,他们将不得不采用更好的存储技术以满足所有这些逻辑的需要。
毫无疑问,嵌入式内存并不是一个新的概念。如果没有片内SRAM,现在的大多数微处理器都不能达到千兆赫兹(GHz)的指令速度。为了让汽车生产商采用他们的产品,微控制器供应商必须能在其微控制器中嵌入Flash存储器。但是上述两类内存都有许多缺点,因此芯片制造商不得不设法寻找新的技术来替代它们。
就某些方面而言,SRAM优势明显。SRAM是当前可用的速度最快的存储器,且在生产期间无须经过任何附加的掩模步骤。高速微处理器和DSP制造商已经习惯于依赖SRAM的上述特性,因此很难想象在处理器的高速缓存中会不使用SRAM。“其它技术很难在速度上和SRAM竞争。”东芝美国电子元器件公司的市场战略总监Frank Ramsay表示。
但是,SRAM也存在重大缺陷,其中之一就是其较大的6晶体管单元结构,这种结构使它占用了太多的硅片面积。如果内存的使用量不大,则上述缺点还是可以忍受的。不过现在,GHz级的微处理器需要如此巨大的内存带宽,以至于如今的高速缓存数量是以兆字节而非千字节来计算。例如,IBM微电子部推出的最新Power4处理器中SRAM比特位就占70%。
IBM微电子部著名工程师Subu Iyer表示,芯片业曾经预言直到2005年才会出现大量如此高的嵌入式内存。“对于内存的需求是无止境的,”他指出,“你可以让处理器运行的飞快,但是如果数据和指令存储于芯片外部,那么就需要很长时间将其读入芯片。现在的速度是如此之快,以至于任何类型的高速缓存失败,都将致使处理器工作停滞。”
随着片内SRAM的比特数达到其极限,允许的漏电流也达到其极限。Iyer估计,使用先进的90纳米生产工艺嵌入的4.5Mb的SRAM将产生100毫安的维持电流,而刷新电流则只是上述值的2%到3%。
另外,由于SRAM易于出现软错误(soft error)的缺点,将不得不对SRAM进行越来越多的检查。这个问题与SRAM单元的电容量有关。其电容量随着生产工艺尺寸的缩小而下降。较小的电容量就意味着带电粒子撞击单元并导致比特位翻转的可能性较高。这些带电粒子可以是α-粒子也可以是宇宙射线。
大概最常讨论的SRAM的替换物就是嵌入式DRAM。DRAM最早是在1990年代中期开始引入,最初它主要大量用于笔记本电脑和高端工作站的图形芯片上。但是随着芯片供应商努力保持逻辑性能和存储位密度之间的平衡,加之客户则对该技术的成本犹豫不决,导致该技术的发展停滞不前。
少数公司仍然在继续进行嵌入式DRAM的工作,但是无论如何,他们也必须克服这些缺点。过去,芯片公司会雇用单独的两个工程小组去分别研究逻辑工艺和DRAM工艺,然后再设法将两者混合在一起。但这样做的结果常常令人失望:要么是逻辑电路太慢,要么是DRAM的密度不够。
现在的情况已经不是这样了。Ramsay强调:“嵌入式DRAM不是事后才想及,从一开始它就是芯片工艺的最重要部分。”
有证据显示业界开始重新关注嵌入式DRAM。索尼公司已经委托东芝公司为它的PlayStation 2游戏机生产图形芯片,该芯片中集成了大量嵌入式DRAM。近日,ADI最新的TigerSharc DSP也采用了IBM的片内DRAM。
嵌入式DRAM不是最后才需要考虑的事情,它是工艺过程的重要组成部分
ADI生产线总监Kevin Leary介绍说,通过给每个宏增加一个小型SRAM高速缓存以更快速开/关页,该公司使嵌入式DRAM获得了更高的速度。同时,该技术还绕开了困扰SRAM的高故障率等问题。如果使用SRAM而不是DRAM,则一个有10万个DSP的网络将非常容易受到软错误的影响,他声称:“一旦10万个Tigersharcs DSP中有一个出现故障,对于网络的可用性而言都是灾难性的。”
“SRAM的发展越来越糟,但嵌入式DRAM则越来越被看好。”他补充道。SRAM和DRAM都采用了易失性存储器技术,这就是说,如果没有刷新电流它们都无法储存数据。这一点为非易失性存储器技术带来了商机,这些技术可以提供与易失性存储器具有相当性能的嵌入式内存,但是在断电之后仍然可以保留数据。非易失性存储器对于便携式应用特别有吸引力,因为便携式应用必须在低功耗下运行。
最显见的候选方案就是闪存,其应用形式有现成的存储芯片和越来越多片内存储器。不过许多专家都认为闪存具有某些先天的缺陷。其中之一是,它越来越难以随每个工艺节点的升级而扩展。闪存通过对由二氧化硅屏障包围的浮闸(floating gate)充电来存储比特位。为通过该屏障,MOS晶体管源极到漏极的电压必须有4到5伏。但是如果沟道太短,则电子会击穿该栅极。缩小闪存的单元尺寸变得日益困难。英特尔的技术副总经理Stefan Lai提出:“闪存的这个缺陷决定了在源极和漏极之间的闸的最小长度是0.14到0.15微米。”
另一个被推荐可替代闪存的非易失性技术是铁电RAM(ferroelectric RAM)。大概从上世纪80年代开始,FRAM就已经得到了许多日本芯片制造商的支持,最近它又得到了诸如三星和TI等公司的青睐。在性能方面FRAM和DRAM类似,主要区别是它使用铁电晶体连接至两个电极,而非电容器。
TI将FRAM确定为嵌入式DRAM的替代技术。在一个基于处理器的芯片设计中,少量的快速SRAM可避免处理器陷于停顿,而FRAM可被用作更一级的高速缓存。“我们把片外内存和片外非易失能力都集成到芯片内,”TI的FRAM集成经理Ted Moise称,“首次随机访问需要20到30纳秒,之后则可能要少于10纳秒。”
而FRAM的批评者则指出,当达到某个数量的读周期之后FRAM单元将失去耐久性,而且由阵列尺寸限制带来的FRAM的成品率问题,也是生产商面临的挑战。但是TI认为,同早期相比,现在的供应商对材料的处理能力要强很多,这只是个改善一下工艺流程的问题。TI预计在2005年之前推出该公司第一个嵌入式FRAM产品。
除了闪存和FRAM,磁性RAM(magnetic RAM)是新近出现的非易失性存储器,已经引起了IBM和摩托罗拉的注意。MRAM基于与磁盘驱动器读磁头同样的原理,通过感应材料的磁阻变化来存贮比特位。在20世纪90年代后期,工程师已经找到了一种称为隧道结的技术,它可以探测高达50%的阻抗变化,使得感应放大器更容易探测到信号。芯片供应商在那时已经对由单元组成的小型存储器阵列进行了测试,这些单元有一个晶体管和两层磁性材料。
除了非易失性以外,MRAM的性能也非常出色。“虽然它没有最快的SRAM快,但是它可与DRAM相媲美并且它是非易失的。”IBM研究所的磁电子经理Bill Gallagher称。Gallagher还介绍说,IBM已经证明,一个128kb阵列的读取时间是5纳秒,写入时间可以达到10纳秒,此外,MRAM的位宽比SRAM密集3至6倍,而且它的密度可以是SRAM的3到6倍。
Gallagher指出:MRAM的一个重大缺陷是,它需要5到10毫安的大电流来编程。不过支持者指出这个问题可以通过改变架构来部分地缓解,并表示该问题也没有想象的那么严重。
另一个新兴的非易失性存储器是相变RAM,它亦称作Ovonic或者硫族化合物(chalcogenide)存储器。在英特尔和三星等公司的研究中,PRAM运用了陶瓷材料,当受热和冷却时,它可以从非晶态阻抗状态变化为晶态传导状态,以此就可确定比特位是1还是0。
许多人对使用硫族化合物材料作为存储比特位的方法都心存疑虑,主要是因为在加热和冷却时材料会发生机械变化。还有一个值得关注的问题就是加热可能改变相邻比特位的属性。
不过,Lai表示,可以对存储器阵列进行有序排列保证比特位交错,从而可以避免在编程期间发生干扰。至于陶瓷材料将如何影响其它单元的问题,Lai说,英特尔已经研发出了一种刚性电阻电极,这种电极不会随时间推移而与硫族化合物分离。“这种特性就是我们拥有的秘密武器。”Lai强调。
有一点可以肯定,那就是芯片制造商需要一种新技术,它可以替代现有嵌入式内存技术,至少能够替代它们当前的形式。SRAM六晶体管单元的尺寸太大并且越来越容易出错。同时,Flash难于升级并具有固有的耐久性问题。理想的内存应该是快速、低功耗、不易出错、耐用、非易失性以及低廉的制造成本等。不过,目前还没有这样的内存,并且看上去要想获得这样的内存,似乎可芯片制造商可以采取多种方法,但每种方法都有其优势和缺陷。
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