摩爾定律已經(jīng)趨緩，現(xiàn)在的增長(zhǎng)每年只有幾個(gè)百分點(diǎn)，所以芯片計(jì)算系統(tǒng)的性能也不再能延續(xù)過去30多年內(nèi)的高速增長(zhǎng)。工藝節(jié)點(diǎn)的突破之外，還可以在整體計(jì)算架構(gòu)上來想辦法。很多新的概念被提了出來，其中有一種思路就是提高存儲(chǔ)器與計(jì)算芯片之間的數(shù)據(jù)交換效率，甚至做到存儲(chǔ)內(nèi)計(jì)算芯片--即存算一體化。

(圖片來源：應(yīng)用材料公司)

但其實(shí)所謂的新型存儲(chǔ)器，譬如ReRAM、PCRAM和MRAM等等，早就面世很多年，優(yōu)勢(shì)也都被大家所認(rèn)可。遲遲沒有大范圍出貨的原因就在于生產(chǎn)方面面臨著諸多獨(dú)特的挑戰(zhàn)：譬如材料種類多、處理工藝復(fù)雜、需要多層沉積、原子級(jí)精準(zhǔn)控制等。

近日，應(yīng)用材料公司宣布正式發(fā)布其專門針對(duì)新型存儲(chǔ)器材料量產(chǎn)的Endura® CloverTM PVD 和ImpulseTM PVD 系統(tǒng)。應(yīng)用材料中國公司首席技術(shù)官趙甘鳴博士和全球產(chǎn)品經(jīng)理周春明博士為大家解釋了如何通過新產(chǎn)品和新劇本來推動(dòng)PPAC(性能performance、功耗power、面積成本area-cost)的提升。

新型存儲(chǔ)器提高計(jì)算效率

不論是在邊緣側(cè)還是在云端，存儲(chǔ)器的性能在整個(gè)計(jì)算系統(tǒng)里面常常會(huì)是短板。據(jù)周春明博士介紹，“萬物互聯(lián)、工業(yè)4.0”等就造成數(shù)據(jù)爆炸式增長(zhǎng)，去年(2018)機(jī)器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)超過了人類產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，這是歷史上第一次。未來到2022年，機(jī)器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可能就是人類數(shù)據(jù)的9倍之多。所有產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都要從終端、從邊緣，然后通過各層傳輸、計(jì)算，然后再到云端、到大數(shù)據(jù)中心，再計(jì)算、再返回到終端，整個(gè)過程都需要更強(qiáng)大的計(jì)算能力的支持。

為了提升系統(tǒng)計(jì)算效能，在摩爾定律放緩的情況下，我們可以看到新型存儲(chǔ)器已經(jīng)成為了一種提升系統(tǒng)整體算力的途徑。在邊緣端正在發(fā)生的趨勢(shì)是采用MRAM來取代全部的閃存和一部分SRAM;在云端的演變趨勢(shì)是采用PCRAM/ReRAM來取代一部分的DRAM和SSD/HDD。

(圖片來源：應(yīng)用材料公司)

MRAM即磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，它不占用“硅”的面積，可以直接嵌入到邏輯電路中。同時(shí)它可以做的非常小——一個(gè)晶體管一個(gè)存儲(chǔ)單元。PCRAM即相變隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，ReRAM即電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。這兩類存儲(chǔ)器可跟NAND一樣實(shí)現(xiàn)3D的架構(gòu)，因此存儲(chǔ)密度的提升很容易實(shí)現(xiàn)，可以降低成本，所以在云計(jì)算、大數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中很有價(jià)值。

(圖片來源：應(yīng)用材料公司)

邊緣端大多為電池供電，對(duì)于功耗極其敏感。MRAM相比eFlash+SRAM在功耗方面可以低很多，因?yàn)樗且粋€(gè)非易失性存儲(chǔ)，所以在待機(jī)時(shí)候并不會(huì)像SRAM一樣產(chǎn)生漏電流;并且MRAM的存儲(chǔ)密度也相對(duì)較高，價(jià)格相對(duì)便宜，但是讀取的速度比SRAM會(huì)稍差一些。云端應(yīng)用中PCRAM/ReRAM的讀寫速度比NAND要快的多，而成本上比DRAM更低。在同樣一個(gè)數(shù)據(jù)中心中實(shí)現(xiàn)相似性能可以節(jié)約大概4成的成本。

Endura系統(tǒng)加速新型存儲(chǔ)器量產(chǎn)

新型存儲(chǔ)器的優(yōu)勢(shì)明顯，但是在生產(chǎn)上面臨著特殊的挑戰(zhàn)。周春明博士表示，MRAM架構(gòu)看起來只要跟一個(gè)晶體管整合那么簡(jiǎn)單，但是存儲(chǔ)單元需要10種材料超過30層的沉積——需要在亞原子級(jí)進(jìn)行沉積，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)地薄膜層。

(圖片來源：應(yīng)用材料公司)

Endura® CloverTM MRAM PVD平臺(tái)就是業(yè)內(nèi)首款，專門針對(duì)大規(guī)模量產(chǎn)的生產(chǎn)級(jí)MRAM平臺(tái)。這是一個(gè)集成式相當(dāng)高的平臺(tái)，可以在真空條件下執(zhí)行多個(gè)工藝步驟，完整地將MRAM制造所需的10種材料和30多層進(jìn)行一站式的堆積。

(圖片來源：應(yīng)用材料公司)

據(jù)悉，Endura的核心技術(shù)就是Clover PVD，一個(gè)腔室可以實(shí)現(xiàn)5種材料處理，在亞原子級(jí)別實(shí)現(xiàn)薄膜沉積。而且應(yīng)用材料公司提供的氧化鎂技術(shù)采用的是陶瓷濺射的方式，因此具有更高的薄膜紋理和界面，在性能方面相比其它氧化鎂系統(tǒng)更為強(qiáng)大，而且在耐久度方面是其它氧化鎂系統(tǒng)的100倍以上。

(圖片來源：應(yīng)用材料公司)

除了通過PVD進(jìn)行沉積外，在不同的步驟之間還有加熱和冷卻的處理過程來實(shí)現(xiàn)材料改性。Endura® CloverTM MRAM PVD平臺(tái)內(nèi)還有專門的用于加熱和冷卻的艙室，進(jìn)行350度以上的退火和零下120度的冷卻處理。周春明博士稱：“我們現(xiàn)在控制的已經(jīng)不是材料本身，而是在材料結(jié)構(gòu)、界面、晶型進(jìn)行匹配，所有這些因素都要串在一起才可以真正實(shí)現(xiàn)我們所說的低功耗、高性能的MRAM的設(shè)備。”

(圖片來源：應(yīng)用材料公司)

而在PCRAM和ReRAM方面，如上圖所示，PCRAM和ReRAM是一個(gè)多層的結(jié)構(gòu)，雖然沒有像MRAM一樣有30多層的沉積，但是材料都非常特殊。這些特殊材料需要做到精準(zhǔn)沉積，成分均勻。應(yīng)用材料公司的Endura® ImpulseTM PVD平臺(tái)即是專門針對(duì)PCRAM和ReRAM的大規(guī)模量產(chǎn)推出的高集成化解決方案。集成式材料解決方案可在真空條件下實(shí)現(xiàn)所需的PCRAM和ReRAM薄膜的精確沉積，對(duì)復(fù)合薄膜進(jìn)行 嚴(yán)格的成分控制有助于實(shí)現(xiàn)最佳的器件性能，通過實(shí)現(xiàn)出色的薄膜厚度、均勻性和界面控制，從而促進(jìn)產(chǎn)量提升。

(圖片來源：應(yīng)用材料公司)

應(yīng)用材料公司提供的沉積方案的優(yōu)勢(shì)在于其整個(gè)過程都是在完全真空的高度集成化的環(huán)境中完成的，但因?yàn)槌练e步驟很多，任何一步如果不能達(dá)到要求，那么后面所有的步驟都會(huì)受到影響。如何保證每一步的沉積都能達(dá)到要求呢?這就要提到其專門的機(jī)載計(jì)量技術(shù)。據(jù)稱這是業(yè)界唯一具有 1/100 納米分辨率的機(jī)載計(jì)量技術(shù)，可以在真空的條件下實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)沉積過程中的關(guān)鍵參數(shù)，針對(duì)檢測(cè)結(jié)果隨時(shí)給出反饋。

(圖片來源：應(yīng)用材料公司)

新型存儲(chǔ)器其實(shí)已經(jīng)討論了多年，但是受限于生產(chǎn)的獨(dú)特挑戰(zhàn)，一直沒有大規(guī)模商用的機(jī)會(huì)。此次應(yīng)用材料公司推出的Endura Clover 和Impulse PVD 系統(tǒng)，通過高度集成的設(shè)計(jì)，可以在一個(gè)平臺(tái)上就實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)地沉積，掃除了新型存儲(chǔ)器在大規(guī)模量產(chǎn)上的障礙。相信在未來的幾年的時(shí)間內(nèi)，借助新型存儲(chǔ)器的普及，計(jì)算系統(tǒng)算力和效能可以得到進(jìn)一步的提升。

(圖片來源：應(yīng)用材料公司)