基于Z-RAM技术的新型DRAM问世

一家瑞士新兴公司已经开发出一种极具潜力的、革命性的90纳米DRAM技术,据称该技术可使存储器件在速度、尺寸及功耗等方面得到改善。

Innovative Silicon公司表示,与传统DRAM单元相比,采用其Z-RAM技术设计的存储单元在面积上减小一半,而运行速度更快且功耗更低。不过,该技术还面临一些问题,包括专利状况,以及它是否有能力参与几乎无回报的嵌入式DRAM市场竞争。

Innovative公司的DRAM单元不是采用存储在电容器中的电荷来表示信息,而是通过在一个传统绝缘硅(SOI)MOSFET的沟道下捕获电荷来存储数据。这种电荷会增大浮体效应(floating-body effect),但同时也被认为是SOI设计中的最大问题以及导致SOI高速切换的祸源。目前为止,它从未被商业上用作存储介质。

但这并非新的理念。早在1990年,校际微电子中心(IMEC)的一位研究人员就获得了在动态存储器中使用浮体效应的原始专利,Innovative 公司总裁兼首席执行官Mark-Eric Jones介绍道。不过,IMEC最后认为这个概念不可行并放弃了它。“他们让这个专利失效了。”他补充道。

然而,并非所有人都对此失去了兴趣。Innovative 公司合伙人兼首席技术官Pierre Fazan就是那些重新拾起此概念并从新的角度进行尝试的人员之一。2001年,Fazan在一篇论文中首次基于这些原理描述了一种概念性的DRAM单元。2002年Innovative 公司成立。与此同时,其它公司的研究人员也注意到了这种技术:一些日本半导体公司发表了相关文章,IBM也开始审议该技术。

Innovative公司存储单元的最出色之处就是结构简单。它由单个晶体管构成,其源极连接到选择线,漏极连接到位线,栅极连接到字线。当施加足够高的漏极电压时,源极电流的大小取决于存储在晶体管浮体中的电荷数量。如果在活动区出现空穴,电流将迅速增大。如果在活动区捕获了电子,电流将随电压逐步增高,并达到一个较低的最大值。

Innovative还必须考虑其它问题。其中之一是被捕获的电荷不能永久存在。通过热电子电离或者能带到能带的隧道效应,可以向晶体管的浮体注入电荷,从而实现向存储单元写入数据。前一种技术速度极快,而后一种技术功耗极低,这使得Innovative公司几乎免费获得了该技术的高速和低功耗两种版本。而问题是通过重新结合,电荷会逐渐消失,因此存储单元必须不断刷新。Fazan表示,幸运的是,在工作温度下,存储单元的保持时间与传统DRAM类似,所以可以采用相同的刷新速率。

图1:Z-RAM利用浮体效应存储信息

“这当然是一种值得关注的技术,” IBM半导体技术分析师Jack Mandelman强调,“不过,它存在很多潜在问题,包括时序问题以及相邻单元之间的相互影响。”

但其优点也非常突出,例如在密度和性能方面。Innovative公司宣布已经开发出90纳米器件,读写时间低于3纳秒,一个位单元面积为0.18平方微米。目前,该公司正在制造90纳米的Mb级存储阵列。

另一个优点是该存储器可以采用普通SOI CMOS逻辑工艺制造。如果采用SOI进行设计,无需改变标准逻辑工艺,Z-RAM就可用于嵌入式存储器阵列。

目前,Innovative计划以单纯的IP授权模式来进军嵌入式DRAM市场。它将授权硬IP,或者将向希望自行开发存储器的客户授权底层技术并提供培训。而且,该公司还在开发一种存储器编译器,也将授权给客户。

对技术不成熟或经济上不具竞争力的新兴公司,嵌入式DRAM市场是它们的坟墓。NEC可能是目前唯一看好该领域的公司。NEC定制LSI部门的副总裁兼总经理Philip LoPresti表示,该公司已经看到客户对其MIM(金属-绝缘体-金属)电容器嵌入式DRAM工艺表现出兴趣,尤其是在90纳米方面。

此外,在一块90纳米裸片上可以放置的存储器数量使得嵌入式DRAM正在超越帧缓存器或高速暂存存储器等应用。Innovative公司的Jones预计,这也将成为有利于公司发展的要素。“凭借比其它DRAM更小的面积和更高的速度,我们不再只关注专用缓存器,”Jones表示,“这种DRAM速度快、密度大,足以作为ARM类处理器的L2高速缓存器,或高端工作站CPU的L3高速缓存器,同时能获得比SRAM更低的功耗和更大的密度。”

前景是令人神往的,但也并非一片坦途。例如,浮体效应只在SOI中是重要的,这限制了Innovative公司的市场空间。迄今为止,只有少数芯片是采用SOI工艺生产的,包括IBM的Power CPU、AMD的一条CPU产品线,以及索尼和东芝正在为下一代Playstation开发的芯片。这些产品都没有采用传统ASIC设计,而且每一种产品都需要设计团队付出巨大努力。

Innovative公司要解决的另一个问题将是与IBM之间的专利之争。“在Fazan发表原始论文之后还有许多工作要做,”IBM的Mandelman说,“东芝已经发表了描述一种类似单元的论文。而我们涉及开发了IP以解决与原始工作有关的问题。”

作者:张国勇