面積減半 採用Z-RAM技術新型DRAM問世
2024-12-17 20:57:08
一家瑞士新興公司（Innovative Silicon Inc）已經開發出一種極具潛力的、革命性的90納米DRAM技術，據稱該技術可改善內存組件的速度、尺寸與功耗等方面。
Innovative Silicon公司表示，與傳統DRAM單元相較，採用其Z-RAM技術設計存儲單元在面積上減少一半，而執行速度更快且功耗更低。不過，該技術還面臨一些問題，包括專利狀況，以及它是否有能力參與幾乎無回報的嵌入式DRAM市場競爭。
Innovative公司的DRAM單元不是採用存儲在電容器中的電荷來表示信息，而是透過在一個傳統絕緣矽(SOI)MOSFET的信道下擷取電荷來存儲數據。這種電荷會增大浮體效應(Foating-Body Effect)，但同時也被認為是SOI設計中的最大問題，以及導致SOI高速切換的禍源。截止目前為止，它從未在商業上作為存儲介質。
但這並非新的理念。早在1990年，比利時IMEC的一位研究人員就獲得了在動態內存中使用浮體效應的原始專利，Innovative公司總裁兼執行長Mark-Eric Jones介紹道。不過，IMEC最後認為這個概念不可行並放棄了它。「他們讓這個專利失效了。」他補充道。
然而，並非所有人都對此失去了興趣。Innovative公司合伙人兼技術長Pierre Fazan就是那些重新拾起此概念並從新的角度進行嘗試的人員之一。2001年，Fazan在一篇論文中首次採用這些原理描述了一種概念性的DRAM單元。2002年Innovative公司成立。與此同時，其它公司的研究人員也注意到了這種技術：一些日本半導體公司發表了相關文章，IBM也開始審議該技術。
Innovative公司存儲單元最出色之處就是結構簡單。它由單個電晶體構成，其源極連接到選擇線，漏極連接完整線，柵極連接到字線。當施加足夠高的漏極電壓時，源極電流的大小取決於存儲在電晶體浮體中的電荷數量。如果在活動區出現空穴，電流將迅速增大。如果在活動區擷取了電子，電流將隨電壓逐步增高，並達到一個較低的最大值。
Z-RAM存儲結構示意圖，S=源極、D=漏極、Vss=源極電壓、Vdd=漏極電壓，圖中a的狀態代表邏輯「1」，b的狀態代表邏輯「0」
Innovative還必須考慮其它問題。其中之一是被擷取的電荷不能永久存在。透過熱電子電離或者band-to-band的隧道效應，可以向電晶體的浮體注入電荷，因而實現向存儲單元寫入數據。前一種技術速度極快，而後一種技術功耗極低，這使得Innovative公司幾乎免費獲得了該技術的高速和低功耗兩種版本。而問題是透過重新結合，電荷會逐漸消失，因此存儲單元必須不斷刷新。Fazan表示，幸運的是，在工作溫度下，存儲單元的保持時間與傳統DRAM類似，所以可以採用相同的刷新速率。
「這當然是一種值得關注的技術，」IBM半導體技術分析師Jack Mandelman強調，「不過，它存在很多潛在問題，包括時序問題以及相鄰單元間的相互影響。」
但其優點也非常突出，例如在密度和性能方面。Innovative公司宣布已經開發出90納米組件，讀寫時間低於3奈秒，一個位單元面積為0.18平方微米。目前，該公司正製造90納米的Mb級存儲數組。
另一個優點是該內存可以採用普通SOI CMOS邏輯製程製造。如果採用SOI進行設計，無需改變標準邏輯製程，Z-RAM就適用於嵌入式內存數組。
目前，Innovative計劃以單純的IP授權模式來進軍嵌入式DRAM市場。它將授權硬IP，或者將向希望自行開發內存的客戶授權底層技術並提供培訓。而且，該公司還在開發一種內存編譯器，也將授權給客戶。
對技術不成熟或經濟上不具競爭力的新興公司，嵌入式DRAM市場將會是它們的惡夢。NEC可能是目前唯一看好該領域的公司。NEC定製LSI部門的副總裁兼總經理Philip LoPresti表示，該公司已經看到客戶對其MIM(金屬-絕緣體-金屬)電容器嵌入式DRAM製程表現出興趣，尤其是在90納米方面。
此外，在一塊90納米晶片上可以放置的內存數量，使得嵌入式DRAM正超越訊框緩衝存儲器器或高速暫存內存等應用。Innovative公司的Jones預計，這也將成為有利於公司發展的要素。「憑藉比其它DRAM更小的面積和更高的速度，我們不再只關注專用的緩衝存儲器，」Jones表示，「這種DRAM速度快、密度大，足以作為ARM類處理器的L2高速緩衝存儲器，或高階工作站CPU的L3高速緩衝存儲器，同時能獲得比SRAM更低的功耗和更大的密度。」
前景是令人嚮往的，但也並非一片坦途。例如，浮體效應只在SOI中是重要的，這限制了Innovative公司的市場空間。迄今為止，只有少數晶片是採用SOI製程生產的，包括IBM的Power CPU、AMD的CPU產品線，以及Sony和Toshiba正為下一代Playstation開發的晶片。這些產品都沒有採用傳統ASIC設計，而且每一種產品都需要設計團隊付出巨大努力。
Innovative公司要解決的另一個問題將是與IBM之間的專利之爭。「在Fazan發表原始論文之後還有許多工作要做，」IBM的Mandelman說，「Toshiba已經發表了描述一種類似單元的論文。而我們涉及開發了IP以解決與原始工作有關的問題。」
