トピック: メモリチップの現状、課題、技術的困難
目次
技術的な問題の全体的な概要
DRAM、NAND フラッシュ、NOR フラッシュ、ReRAM など、メモリの種類が異なれば、動作原理、性能指標、アプリケーション分野、市場の需要も異なります。さまざまなタイプのメモリ チップを設計および製造するには、さまざまな材料、デバイス、回路、プロセス技術、および対応する知的財産 (IP) を習得する必要があります。
さまざまなメモリ チップには、いくつかの共通の課題と、それに対応する技術的な問題があります。
- メモリ容量: データ量の爆発的な増加に伴い、メモリ チップはデータの保存と処理のニーズを満たすためにより大きな容量を提供する必要があります。メモリチップの容量を増やすには、3D積層技術などのより高度なプロセス技術や、マルチレベルセル（MLC）やクロスポイントアレイ（XPoint）などのより複雑な設計手法を採用する必要があります。
- メモリ性能：メモリチップの性能には主に読み書き速度、消費電力、耐久性、安定性などが含まれます。メモリチップの性能を向上させるには、メモリ構造、エンコード方法、インターフェースプロトコルなどを最適化するだけでなく、強誘電体材料やスピントランスファートルク（STT）などの新しい記憶材料や機構を採用する必要があります。
- メモリ検証：メモリチップの検証とは、メモリチップが設計仕様やユーザーのニーズを満たしていることを確認するために、テープアウト前にメモリチップの機能、性能、信頼性などを総合的にテストおよび評価することを指します。現在のチップはマイクロプロセッサ、アナログ IP コア、デジタル IP コア、メモリ (またはオフチップ ストレージ制御インターフェイス) を統合しており、検証の複雑さが指数関数的に増加しているため、メモリ チップの検証は非常に困難です。ますます複雑になる検証を迅速、正確、完全に、そして簡単にデバッグして完了する方法は、すべてのチップ設計者にとって最大の課題です。
従来のストレージ比較表:
| メモリの種類 |
保管原理 |
ストレージ機能 |
メインアプリケーション |
大手メーカー |
| ドラム |
コンデンサの充放電 |
揮発性、読み取りおよび書き込み速度が速い、コストが高い、リフレッシュが必要 |
メモリ、携帯電話、サーバー |
サムスン、SK ハイニックス、マイクロン、長信ストレージ、ギガデバイス |
| SRAM |
双安定フリップフロップ |
揮発性、読み取りと書き込みの高速化、コストの増加、リフレッシュの必要なし |
キャッシュ、登録 |
インテル、AMD、NXP、北京インジェニクス |
| NANDフラッシュ |
フローティングゲート電荷蓄積 |
不揮発性、読み取りおよび書き込み速度が遅い、コストが低い、消去が必要 |
ソリッド ステート ドライブ、USB フラッシュ ドライブ、組み込みストレージ |
サムスン、キオクシア、SK ハイニックス、ウェスタンデジタル、マイクロン、長江メモリ |
| NORフラッシュ |
フローティングゲート電荷蓄積 |
不揮発性、読み取りは速い、書き込みは遅い、高価、消去が必要 |
初期のコンピューターとフィーチャーフォン、現在の TWS ヘッドセットなど。 |
インテル、マクロニクス エレクトロニクス、ウィンボンド エレクトロニクス、ギガデバイス |
ソース：
(1) [チップの種類を何種類知っていますか] - メモリチップ - Zhihu. https://zhuanlan.zhihu.com/p/494971830.
(2) 国内メモリおよび主要制御チップメーカー 30 社に関する調査分析レポート - 電子工学問題 EE Times China. https://www.eet-china.com/d/file/news/2022-02-11/e55276227ad036843b47028abb603779。 PDF 。
(3) チップの分類 - Zhihu. https://zhuanlan.zhihu.com/p/395169843。
(4)海外メモリチップの国内比較！ - Zhihu. https://zhuanlan.zhihu.com/p/147533689。
新しいメモリチップの比較表:
| タイプ |
原理 |
ストレージ機能 |
メインアプリケーション |
大手メーカー（研究機関） |
| RRAM |
誘電体層内の導電パスの形成と切断を利用して抵抗を変化させます¹ |
不揮発性、低電力、高密度、高速¹ |
モノのインターネット、人工知能、ストレージ メモリ¹ |
シャープ、パナソニック、サムスン、ハイニックス、TSMC など¹ |
| MRAM |
データの保存には磁界分極が使用され、記憶ユニットは自由磁性層、トンネルゲート層、固定磁性層で構成されます¹ |
不揮発性、無制限の読み取りおよび書き込み回数、高速書き込み速度、低消費電力¹ |
キャッシュ、組み込みシステム、自動車エレクトロニクスなど¹ |
マイクロン、アルフェンダル、日立など¹ |
| 乳母車 |
相変化材料を使用して結晶状態とアモルファス状態の間を遷移させ、抵抗を変化させます¹ |
不揮発性、低遅延、長寿命、低消費電力¹ |
ストレージメモリ、モバイルデバイスなど¹ |
インテル、マイクロン、サムスンなど¹ |
| フォワード |
強誘電体の分極方向を利用してデータを保存し、その保存ユニットは強誘電体層と2つの電極で構成されます² |
不揮発性、無制限の読み取りおよび書き込み回数、高速、低消費電力² |
スマート カード、無線周波数識別など² |
富士通、テキサス・インスツルメンツなど² |
出典: (1) 理解すべき 1 つの記事｜3 つの新興ストレージ技術: MRAM、RRAM、および PCRAM - Weiku Electronic Market Network. https://www.dzsc.com/data/2021-05-26/125347.html。
(2) ダイナミック ランダム アクセス メモリ - フリー百科事典 Wikipedia https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%8A%A8%E6%80%81%E9%9A%8F%E6% 9C%BA %E5%AD%98%E5%8F%96%E5%AD%98%E5%82%A8%E5%99%A8。
(3) 5 つの従来型メモリと 3 つの新しいタイプのメモリ - 電子技術設計を分析します。https://www.edntaiwan.com/20170911NT02-memory/.
(4) 抵抗性ランダム アクセス メモリ (RRAM): 材料、スイッチング メカニズム、パフォーマンス、マルチレベル セル (mlc) ストレージ、モデリングなどの概要。 https://link.springer.com/article/10.1186/s11671 -020-03299-9。
(5) 新興ストレージ テクノロジ: MRAM、RRAM、および PCRAM - Utmel。 https://www.utmel.com/blog/categories/memory%20chip/emerging-storage-technologies-mram-rram-and-pcram。
(6) F-RAM (強誘電体 RAM) - インフィニオン テクノロジーズ。 https://www.infineon.com/cms/en/product/memories/f-ram-ferroelectric-ram/。
さまざまな種類のメモリチップが直面する課題と技術的困難
ドラム
現状と課題
- DRAMの市場需要は主にスマートフォン、サーバー、データセンター、クラウドコンピューティング、人工知能の分野から来ており、技術の継続的な進歩とアプリケーションの継続的な拡大により、DRAMの市場規模は成長を続け、94.9ドルに達しています。 2021 年には前年比 41.6%² の増加。
- DRAM市場の競争は非常に激しく、Samsung、Hynix、Micronの3大メーカーが市場シェアの94%を占め、Nanya、Winbond、Macronixなどの他のメーカーは主にニッチ市場で競争しており、国内企業Changxinのシェアはわずか3%である。 . 、テクノロジーには一定のギャップがあります。
- DRAM の技術開発は主に製品仕様とプロセス技術に反映されており、現在の主流製品は 10nm ～ 20nm のプロセス技術を持つ DDR4 ですが、DDR5 および 10nm 以下のプロセスも開発中です。
- DRAM の技術的課題には、主にエネルギー消費、帯域幅、遅延、プロセスのアップグレードが含まれており、パフォーマンスと安定性を向上させるには設計とプロセスを継続的に最適化する必要があります¹。
ソース：
- メモリ テクノロジー 2021: トレンドと傾向課題 - IEEE Explore。 https://ieeexplore.ieee.org/document/9592547。
(2) 1T-1C ダイナミック ランダム アクセス メモリのステータス、課題、および展望 - IEEE Xplore。 https://ieeexplore.ieee.org/document/8976234.
(3) マイクロエレクトロニクス産業におけるスピントロニクスの機会と課題 - 自然。 マイクロエレクトロニクス業界におけるスピントロニクスの機会と課題 |ネイチャー エレクトロニクス
技術的な問題
- メモリ容量: データ需要が増大し続ける中、人工知能、ハイパフォーマンス コンピューティング、データ分析などのさまざまなアプリケーションのニーズを満たすために、DRAM はより大きな容量を提供する必要があります。しかし、DRAM プロセス技術は 10nm 以下で技術的なボトルネックに直面しており、高集積化と低コスト¹ を達成するには新しい材料とプロセスを開発する必要があります。
- メモリ パフォーマンス: DRAM は、サーバー、データ センター、クラウド コンピューティング、モバイル デバイスなどのさまざまなシナリオのパフォーマンス要件を満たすために、高速かつ低消費電力を実現する必要があります。ただし、DRAM のパフォーマンスは、電荷漏れ、容量結合、信号の完全性、温度安定性など、多くの要因の影響を受けます。 DRAM¹3 の信頼性と効率を向上させるには、設計とプロセスの継続的な最適化が必要です。
- メモリ検証: DRAM の複雑さとサイズが増加するにつれて、DRAM の正確性と機能性の検証はより困難になり、時間がかかります。検証の範囲と効率を向上させ、検証のコストと時間を削減するには、新しい検証方法とツールを開発する必要があります。
ソース：
(1) 将来の DRAM のスケーリングとパフォーマンスの課題。 https://ieeexplore.ieee.org/document/9108122。
(2) メモリ チップの設計と検証を再考する時期 - 半導体工学。 https://semiengineering.com/time-to-rethink-memory-chip-design-and-verification/。
(3) メモリ階層化: 現代のデータ課題を解決するための新しいアプローチ。 https://www.intel.com/content/dam/www/central-libraries/us/en/documents/2022-04/optane-memory-tiering-white-paper.pdf .
SRAM
現状と課題
- SRAM は、最新のシステムオンチップ (SoC) の基本コンポーネントの 1 つで、主にキャッシュ、レジスタ ファイル、メモリ サブシステムに使用されます。 SRAM の密度と性能は CMOS テクノロジーのスケーリングに伴って増加しますが、消費電力の増加や安定性の低下などの問題も引き起こします2。
- SRAM の市場需要は、主にハイパフォーマンス コンピューティング、人工知能、モノのインターネット、モバイル デバイスの分野から来ており、データと計算の量が増加し続ける中、SRAM は、これらの要求を満たすために、より大容量とより高い帯域幅を提供する必要があります。さまざまなアプリケーション。要件¶
・SRAMの技術発展は主にユニット構造と回路設計に反映されており、現在主流のユニット構造は6T-SRAMであり、読み書きの安定性、低電圧、低消費電力、フォールトトレランスなどが主な回路設計となっている。プロセス技術が 7nm 未満になるにつれて、SRAM はばらつき、リーク電流、信号対雑音比、プロセス温度電圧 (PVT) の変化など、さまざまな技術的課題にも直面しています¹²。
- SRAM技術革新には主に、8T-SRAM、10T-SRAM、FinFET-SRAM、STT-MRAM、ReRAM、PCRAM、FeRAM、3D XPointメモリなどの新しいユニット構造、新しいストレージ材料、新しいコンピューティングモデルなどが含まれます。 。これらのテクノロジーは、SRAM の容量、パフォーマンス、消費電力、信頼性を向上させるとともに、ストレージとコンピューティングの統合 (CIM)¹¹ などの機能を実装するように設計されています。
ソース：
(1) 次世代 SRAM セル アーキテクチャにおける課題の克服 - 半導体工学。 https://semiengineering.com/overcoming-challenges-in-next-generation-sram-cell-architectures/。
(2) AI エッジ デバイス向けの SRAM ベースのコンピューティング インメモリの課題と傾向 - IEEE Xplore。 https://ieeexplore.ieee.org/document/9382915。
(3) SRAM 技術の現状と展望 - ScienceDirect。 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780128207581000108。
技術的な問題
- メモリ容量: 人工知能エッジ デバイスの開発に伴い、SRAM は、畳み込み、プーリング、アクティベーションなどの大規模なニューラル ネットワーク計算をサポートするために、より大きな容量を提供する必要があります。ただし、SRAM の容量はセル構造、プロセス技術、チップ面積などの要因によって制限されるため、高集積化と低コスト¹ を実現するには、新しいセル構造と記憶材料を開発する必要があります。
- メモリ パフォーマンス: SRAM は、ハイ パフォーマンス コンピューティング、モノのインターネット、モバイル デバイスなどのさまざまなシナリオのパフォーマンス要件を満たすために、高速かつ低消費電力を実現する必要があります。ただし、SRAM のパフォーマンスは、電荷漏れ、信号の完全性、温度安定性など、多くの要因の影響を受けます。 SRAM の信頼性と効率を向上するには、継続的な設計とプロセスの最適化が必要です¹²。
- メモリ検証: SRAM の複雑さとサイズが増加するにつれて、SRAM の正確性と機能性の検証はより困難になり、時間がかかります。検証の範囲と効率を向上させ、検証のコストと時間を削減するには、新しい検証方法とツールを開発する必要があります²。
ソース：
(1) AI エッジ デバイス向けの SRAM ベースのコンピューティング インメモリの課題と傾向 - IEEE Xplore。 https://ieeexplore.ieee.org/document/9382915。
(2) AI エッジ デバイス向けの高性能 SRAM ベースのコンピューティング イン メモリの設計課題と方法論 - IEEE Xplore。 https://ieeexplore.ieee.org/document/9674995/。
(3) 光 RAM と集積光メモリ: 調査 |ライト: 科学と光用途 - 自然。 https://www.nature.com/articles/s41377-020-0325-9。
NANDフラッシュ
現状と課題
NAND フラッシュは、停電後のデータ損失を維持するストレージ テクノロジーです。サーバー、データセンター、クラウドコンピューティング、モバイルデバイス、人工知能で広く使用されています。 NAND フラッシュの主な課題は、高性能、低コスト、高信頼性を維持しながら、より高いストレージ密度とより低い消費電力をどのように達成するかということです¹²³。
現在、NAND フラッシュには 2 つの主流の技術的方向性があります。1 つは二次元 (2D) NAND フラッシュで、平面上の記憶ユニットのサイズを縮小し、それによって平方センチメートルあたりの記憶容量を増加します。もう 1 つは 3 次元 (3D) NAND フラッシュです。これは垂直方向に複数のメモリ セルを積層することで、平面スケーリングの限界を突破します。 3D NAND フラッシュは 2 つのタイプに分類されます。1 つはフローティング ゲート 3D NAND フラッシュに基づいており、2D NAND フラッシュの記憶原理に従いますが、構造的に最適化されています。もう 1 つはチャージ トラップに基づく 3D NAND フラッシュです。これは、従来のフローティング ゲートの代わりに特殊な材料を使用して電荷を蓄積します23。
現在、3D NAND フラッシュは、より高い記憶密度、より低い消費電力、より長い寿命を達成できるため、NAND フラッシュ技術開発の主流のトレンドとなっています。ただし、3D NAND フラッシュは、層数の増加、製造コストの削減、読み取りおよび書き込み速度の最適化、データの信頼性の向上など、いくつかの課題にも直面しています²³。
ソース：
(1) メモリテクノロジー 2021: トレンドと傾向課題 - IEEE Explore。 https://ieeexplore.ieee.org/document/9592547。
(2) NAND フラッシュ技術の現状と展望 - ScienceDirect。 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780128207581000030。
(3) 材料およびプロセスの問題に関する半導体フラッシュ メモリ デバイスのレビュー - Kim - Advanced Materials - Wiley Online Library。 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202200659.
技術的な問題
- メモリ容量: NAND フラッシュのメモリ容量は、主にストレージ ユニットのサイズと層の数によって決まります。技術の発展に伴い、NAND フラッシュは 2 次元 (2D) 構造から 3 次元 (3D) 構造に変化し、それによって平面スケーリングの限界を突破し、より高い記憶密度を達成しました。ただし、3D NAND フラッシュは、層の数を増やす方法、製造コストを削減する方法、読み取りおよび書き込み速度を最適化する方法、データの信頼性を向上させる方法などの課題にも直面しています¹²³。現在、3D NAND フラッシュの層数は 256 層以上に達しています。しかし、層数が増加するにつれて、プロセスの複雑さ、信号干渉、電圧降下などの問題も発生します¹²。
- メモリ パフォーマンス: NAND フラッシュのメモリ パフォーマンスは、主に読み取りおよび書き込み速度、消費電力、耐久性に依存します。高性能メモリに対する市場の需要が高まるにつれ、NAND フラッシュは読み取りおよび書き込み速度を継続的に向上させ、消費電力を削減し、寿命を延ばす必要があります。ただし、これらの目標の間には矛盾や妥協点が存在することがよくあります。たとえば、読み書きの速度を上げるには電圧と電流を大きくする必要がありますが、消費電力が増加し、メモリセルが損傷して寿命が短くなります¹²³。さらに、NAND フラッシュは、さまざまなインターフェイス規格との互換性、コントローラー アルゴリズムの最適化、並列処理とチャネル使用率の改善方法などの問題も解決する必要があります¹²。
- メモリ検証: NAND フラッシュのメモリ検証には、主にストレージ ユニットの特性、信頼性、機能のテストと評価が含まれます。 NAND フラッシュの構造とプロセスは継続的に変化しているため、しきい値電圧分布、リーク電流、信号対雑音比など、メモリ セルの特性も常に変化しています。これらの変更は、記憶検証にさらなる困難と課題をもたらします²³。たとえば、効果的なテスト方法とパターンを設計する方法、テストの精度と効率を向上させる方法、テストのコストと時間を削減する方法などです²³。
ソース：
(1) 3D NAND フラッシュメモリの動向と今後の課題。 https://ieeexplore.ieee.org/document/10145825/。
(2) Nand フラッシュ メモリ -- 製品動向、技術概要、および技術的課題 - IEEE Xplore。 https://ieeexplore.ieee.org/document/6114775/。
(3) 3D NAND フラッシュ メモリの信頼性の課題 - IEEE Xplore。 3D NAND フラッシュ メモリの信頼性の課題 | IEEE 会議出版物 | IEEE エクスプロア
NORフラッシュ
NOR Flash の現状と課題については、英語の Web サイトを検索してください。
NOR フラッシュの場合、メモリ容量、メモリのパフォーマンス、メモリ検証の点で技術的な問題は何ですか?この３つの側面における技術的困難について、まだ解決されていない具体的な技術的困難は何でしょうか？
現状と課題
- NOR フラッシュは、ポータブル デバイスで広く使用されている不揮発性メモリです。しかし、技術の発展に伴い、NOR フラッシュはサイズをさらに縮小する上で多くの困難に直面しています。 ¹
- NOR フラッシュの主な課題は、フローティング ゲートでの電荷損失とトンネル酸化層での欠陥です。これらの問題は、NOR フラッシュのデータ保持能力とサイクル寿命に影響を与えます。 ¹²
- これらの問題を解決するために、高誘電率の誘電体層や革新的なトンネルバリアエンジニアリングを利用して電荷トラップメモリを実装するなど、いくつかの新しい技術が提案されています。 ¹3
- あるいは、電荷の数が少なすぎて論理状態を維持できない場合には、3 次元に積層されたデバイスが究極の解決策となる可能性があります。 ¹
ソース：
- フラッシュ メモリ テクノロジの将来の課題 - ScienceDirect。 https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0167931708003523。
(2) TN-12-30: NOR フラッシュ サイクル耐久性とデータ保持。 https://www.micron.com/-/media/client/global/documents/products/technical-note/nor-flash/tn1230_nor_flash_cycling_endurance_data_retention.pdf。
(3) AN99121 NOR FLASH – 耐久性とデータ保持の実践ガイド - Infineon Technologies。 https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-AN99121_Practical_Guide_to_Endurance_and_Data_Retention-ApplicationNotes-v05_00-EN.pdf?fileId=8ac78c8c7cdc391c017d07425561655b。
技術的な問題
- メモリ容量の点では、主にビットあたりのコストが高いため、NOR フラッシュの密度は NAND フラッシュの密度よりも低くなります。 NOR フラッシュの密度は通常 2Gb 未満ですが、NAND フラッシュの密度は 2Tb 以上に達する場合があります。 ⁴⁶ NOR フラッシュの容量はフローティング ゲートのサイズとトンネル酸化層の厚さによって制限されるため、それ以上の容量を削減することは困難です。 ¹²
- メモリ性能の点では、NOR フラッシュは読み取り速度が速く、コードの実行やアプリケーションの高速起動に適しています。ただし、NOR フラッシュの書き込みおよび消去速度は遅く、サイクル数とともに低下します。 ⁴ NOR フラッシュのパフォーマンスは、電荷損失、フローティング ゲート干渉、ショート チャネル効果などの要因によって影響されます。 ¹²
- メモリの検証に関しては、NOR フラッシュの信頼性と安定性を確保するために、サイクル寿命とデータ保持能力をテストする必要があります。 ²³ NOR フラッシュの検証は、JEDEC 仕様などの業界標準に準拠する必要があり、さまざまな温度、電圧、時間条件下で実行する必要があります。 ² NOR フラッシュの検証では、自動車、産業、民生、その他の分野など、さまざまなアプリケーション シナリオと要件も考慮する必要があります。 ³
現在、これらの技術的困難に対応して、高誘電率の誘電体層や革新的なトンネルバリアエンジニアリングを使用して電荷トラップメモリを実装したり、三次元積層デバイスを使用して容量と性能を向上させたりするなど、いくつかの新しい技術が提案されています。 ¹⁴ ただし、これらのテクノロジーの実現可能性と優位性を証明するには、さらなる研究と検証が必要です。
ソース：
- フラッシュ メモリ テクノロジの将来の課題 - ScienceDirect。 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167931708003523。
- フラッシュ 101: NAND フラッシュと NOR フラッシュ - Embedded.com。 https://www.embedded.com/flash-101-nand-flash-vs-nor-flash/。
- NOR | NAND フラッシュ ガイド - マイクロン テクノロジー。 https://media-www.micron.com/-/media/client/global/documents/products/product-flyer/nor_nand_flash_guide.pdf?la=ja&rev=4782dd20539d44fc95cbbca2f772f91d.< /span>
- TN-12-30: NOR フラッシュ サイクル耐久性とデータ保持 - Micron Technology。 https://media-www.micron.com/-/media/client/global/documents/products/technical-note/nor-flash/tn1230_nor_flash_cycling_endurance_data_retention.pdf?rev=e499d40bf03a4e18842e05890c18ee59.< /span>
- NOR フラッシュ メモリを使用して、自動車における機能安全の課題を解決します。 https://flashmemorysummit.com/English/Colteriors/Proceedings/2018/20180807_AUTO-102-1_Krishnegowda.pdf.
- フラッシュ メモリ テクノロジの将来の課題 - ScienceDirect。 https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0167931708003523。
RRAM
現状と課題
- RRAM は、高速、低コスト、高密度、マルチフィールド アプリケーション、優れた拡張性¹ という利点を備えた新興のストレージ テクノロジです。
- RRAM は、金属酸化膜内の導電性フィラメントの形成と消失を変化させることでデータ記憶を実現する抵抗スイッチング機構に基づいています¹。
- RRAM は計算ストレージ システムで使用できます。つまり、データ処理がストレージ ユニット内で実行されるため、データ送信の遅延とエネルギー消費が削減されます²。
- RRAM は、マルチレベル ストレージ、つまり複数ビットのデータを 1 つのユニットに保存することもできるため、ストレージ密度が向上し、コストが削減されます¹。
- RRAM が直面する課題には、耐久性、保持力、均一性、温度の影響、ランダムな電信ノイズなどが含まれます。これらの問題は、RRAM¹³ の信頼性とセキュリティに影響を与えます。
- RRAM は、読み取りおよび書き込み動作の制御、エラー修正、相互干渉、モデルの確立など、回路およびマクロレベルの設計問題を解決する必要もあります。²
ソース：
(1) 抵抗性ランダム アクセス メモリ (RRAM): 材料、スイッチング メカニズム、パフォーマンス、マルチレベル セル (mlc) ストレージ、モデリングなどの概要。 https://link.springer.com/article/10.1186/s11671 -020-03299-9。
(2) RRAM ベースのコンピューティング イン メモリ システムの回路とマクロの傾向と課題 - ScienceDirect。 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2709472322000028。
(3) RRAM の耐久性と保持率: 信頼性の高い設計に対する課題、機会、および影響 | IEEE 会議出版物 | IEEEエクスプロア。 https://ieeexplore.ieee.org/document/8964707.
技術的な問題
- メモリ容量の観点から言えば、RRAM の技術的な難しさは、マルチレベル ストレージを実装する方法、つまり複数ビットのデータを 1 つのユニットに保存することで、ストレージ密度を高め、コストを削減する方法です¹。現在、マルチレベルストレージは、読み取りおよび書き込み操作の制御、エラー訂正、相互干渉²などの問題に依然として直面しています。
- メモリ性能に関して言えば、RRAM の技術的な難しさは、耐久性、保持力、均一性などの性能面をどのように改善するか、また、温度の影響やランダムな電信ノイズなどの要因の影響をどのように低減するかということです¹3。これらの問題は RRAM の信頼性とセキュリティに影響を与えるため、実際のアプリケーションでの普及が制限されます。
- メモリ検証の観点から見ると、RRAM の技術的な難しさは、RRAM のスイッチング メカニズム、電流と電圧の関係、マルチレベル ストレージ特性などを記述および予測するための正確なモデルと方法を確立する方法です¹²。現在、RRAM の物理現象と動作を説明するための統一された理論的枠組みはなく、RRAM の性能と信頼性を評価するための普遍的なテスト プラットフォームもありません。
これらの技術的問題はまだ解決されておらず、さらなる研究と探索が必要です。
ソース：
(1) RRAM ベースのコンピューティング イン メモリ システムの回路とマクロの傾向と課題 - ScienceDirect。 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2709472322000028。
(2) 抵抗性ランダム アクセス メモリ (RRAM): 材料、スイッチング メカニズム、パフォーマンス、マルチレベル セル (mlc) ストレージ、モデリングなどの概要。 https://link.springer.com/article/10.1186/s11671 -020-03299-9。
(3) RRAM の耐久性と保持: 信頼性の高い設計に対する課題、機会、および影響 | IEEE 会議出版物 | IEEEエクスプロア。 https://ieeexplore.ieee.org/document/8964707。
MRAM
現状と課題
メモリチップ MRAM は、電子スピンを利用して情報を保存する不揮発性メモリ技術で、高速、低消費電力、高耐久性、高拡張性¹ という利点があります。 MRAM の主な課題は、効率的で信頼性が高く、安定した磁化反転をどのように実現するか、またデバイス サイズの縮小に起因する熱安定性、書き込みエラー、読み書き干渉などの問題をどのように克服するかです。現在、MRAM には主に、スピントランスファートルク (STT)、スピン軌道トルク (SOT)、電圧制御磁気異方性 (VCMA) という 3 つの磁化反転機構があります。中でも VCMA-MRAM は、低電圧、低電流、高速かつ低エネルギーの書き込み動作を実現できるため、最も有望視されています。ただし、VCMA-MRAM は、材料の選択とデバイス構造を最適化する方法、書き込み効率と信頼性を向上させる方法、読み書きの干渉とノイズを低減する方法など、いくつかの課題にも直面しています。
ソース：
(1) マイクロエレクトロニクス産業におけるスピントロニクスの機会と課題 - Nature。 https://www.nature.com/articles/s41928-020-0461-5。
(2) メモリテクノロジー 2021: トレンドと傾向課題 - IEEE Explore。 https://ieeexplore.ieee.org/document/9592547。
(3) 作業メモリ用の電圧制御 MRAM: 展望と課題 - IEEE Xplore。 https://ieeexplore.ieee.org/document/7927047。
技術的な問題
- メモリ容量の観点: MRAM の技術的な難しさは、高密度メモリ セルをどのように実現するか、また、サイズ縮小によって生じる熱安定性、書き込みエラー、読み書き干渉などの問題をどのように克服するかです¹。現在、MRAMの最小サイズは28nmまたは22nmですが、さらにサイズを小さくするには以下の技術的課題を解決する必要があります。
- 磁気トンネル接合 (MTJ) の磁気異方性、磁気抵抗比、および反転効率を改善するために、材料の選択とデバイス構造を最適化する方法¹²。
- 書き込み電流と書き込み電圧を減らして熱の影響と消費電力を減らす方法¹²。
- 読み取りおよび書き込みの干渉とノイズを低減するために、効率的な読み取りおよび書き込み回路とコーディング スキームを設計する方法¹²。
- メモリ性能の観点から見ると、MRAM の技術的な難しさは、高速、低遅延、高信頼性の読み書き動作をどのように実現するか、また他の論理回路とどのように互換性を持たせるかです¹。現在、MRAM の読み書き速度は SRAM のレベルに達していますが、次のような技術的問題をまだ解決する必要があります。
- MTJ フリップ速度と信頼性を向上させて、書き込みレイテンシーと失敗率を削減する方法¹²。
- 読み取りレイテンシーと消費電力を削減するために読み取りおよび書き込み回路の設計を最適化する方法¹²。
- MRAM と CMOS 論理回路のシームレスな統合を実現して、システムのパフォーマンスと機能を向上させる方法¹²。
- メモリ検証に関して言えば、MRAM の技術的な難しさは、MRAM の磁場特性、温度特性、信頼性特性をどのようにテストするか、またさまざまなプロセス リンクで効果的なテストをどのように実施するかです。現在、MRAM には新しい検査装置、検査方法、検査基準が必要ですが、次のような技術的問題を解決する必要があります。
- チップレベル、モジュールレベル、システムレベルで包括的、正確かつ効率的な MRAM テストを実施する方法¶
- さまざまな温度条件下で、磁化反転、読み取りと書き込みの干渉、保持不良などの MRAM の信頼性の問題をテストする方法¶
- 強磁場環境における MRAM の耐干渉能力と安定性をテストする方法¶
ソース：
(1) STT-MRAM の製造とテストにおける課題 - 半導体工学。 https://semiengineering.com/challenges-in-making-and-testing-mram/。
(2) WiSE: 学習が STT-MRAM 効率の課題解決に役立つ場合 | IEEE ジャーナルと雑誌 | IEEEエクスプロア。 https://ieeexplore.ieee.org/document/9749958/。
(3) ST-MRAM の基礎、課題、および応用 - IEEE Xplore。 https://ieeexplore.ieee.org/document/6658449.
乳母車
現状と課題
メモリ チップ PRAM は、高密度、不揮発性、高速読み取り速度、優れた拡張性を備えた相変化ベースのランダム アクセス メモリであり、DRAM¹ の代替品と考えられています。ただし、PRAM は、主に耐久性の低さと書き込みエネルギー消費量の多さなど、いくつかの課題にも直面しています¹。これらの制限を緩和するために、これまでの研究ではビットレベルの書き込み強度を下げることに焦点が当てられてきました¹。さらに、PRAM は、プロセッサとメモリ セルの静的障害の問題にも対処する必要があります2。また、PRAM をメイン メモリ階層に効果的に統合する方法にも対処する必要があります。
ソース：
(1) 頻度値ベースの PRAM メモリ アーキテクチャ - IEEE Xplore。 https://ieeexplore.ieee.org/document/5722186/。
(2) [1801.00237] 静的プロセッサおよびメモリ障害を伴う PRAM での決定論的計算 - arXiv.org。 https://arxiv.org/abs/1801.00237。
(3) PDRAM |第 46 回年次設計自動化会議の議事録 - ACM デジタル ライブラリ。 https://dl.acm.org/doi/10.1145/1629911.1630086。
技術的な問題
- メモリ容量: PRAM のメモリ容量は、その書き込み耐久性によって制限されます。つまり、各メモリ セルは、故障するまでに限られた回数の書き込み操作にしか耐えることができません¹。したがって、PRAM は、ビットレベルの書き込み強度の低減¹、データの頻繁な値特性の利用¹、フリップ書き込み技術の使用¹ など、書き込み耐久性を向上させるためのいくつかのテクノロジーを採用する必要があります。ただし、これらのテクノロジーには、メモリの実効容量の削減2やハードウェアのオーバーヘッドの追加3など、ある程度のコストもかかります。 PRAM の高密度化と高信頼性を確保しながら、効率的な書き込み耐久管理をどのように実現するかという技術的課題はまだ解決されていません。
- メモリ パフォーマンス: PRAM のメモリ パフォーマンスは、書き込み速度とエネルギー消費によって制限されます。つまり、書き込み操作は読み取り操作よりもはるかに遅く、より多くのエネルギーを消費します¹。したがって、PRAM は、書き込み速度を向上させ、書き込みエネルギー消費を削減するために、並列書き込み技術 3 の使用、データの局所性特性の利用 2、バッファーまたはキャッシュ技術の使用などのいくつかの技術を採用する必要があります。ただし、これらのテクノロジーは、設計の複雑さの増加、アクセス遅延の増加、消費電力の増加など、いくつかの課題ももたらします。まだ解決されていない技術的問題は、PRAM の低遅延と低消費電力を確保しながら、効率的な書き込み速度の最適化をどのように達成するかということです。
- メモリ検証: PRAM のメモリ検証は、その障害モデルと障害検出方法によって制限されます。つまり、PRAM には静的または動的プロセッサやメモリ ユニットに障害が発生し、データ損失やエラーが発生する可能性があります。したがって、PRAM は、エラー検出および訂正コード (ECC) の使用、故障シミュレーションおよびテスト方法の使用など、これらの故障を検出および修正するためのいくつかのテクノロジを採用する必要があります。ただし、これらのテクノロジーは、ハードウェア コストの増加、実行時間の増加、システム可用性の低下など、いくつかの問題も引き起こします。まだ解決されていない技術的問題は、PRAM の高い信頼性と耐障害性を確保しながら、効率的な障害検出と修正方法をどのように実現するかということです。
ソース：
(1) Flip-N-Write: PRAM 書き込みパフォーマンス、エネルギー、耐久性を向上させるシンプルな決定論的手法 - IEEE Xplore。 https://ieeexplore.ieee.org/document/5375405/。
(2) 頻度値ベースの PRAM メモリ アーキテクチャ - IEEE Xplore。 https://ieeexplore.ieee.org/document/5722186/。
(3) FPGA への高性能パターン認識連想メモリの実装。 https://indico.cern.ch/event/543031/contributions/2921444/attachments/1665979/2671580/2018-06-12_PRAM.pdf。
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現状と課題
FRAM は、強誘電体の分極特性を利用してデータを保存する不揮発性メモリです。 FRAM の利点は、書き込み速度が速く、消費電力が低く、データの信頼性が高く、書き込み回数が多いことです。 ¹²
FRAMの現状は、150nmプロセスノードで0.27μm 2 のシングルトランジスタシングルキャパシタ（1T1C）FRAMが実装されていますが、将来のモバイル機器で使用するにはユニットサイズをさらに小型化する必要があります。 ¹
FRAM が直面している課題は、物理的および電気的限界を克服する方法、統合と安定性を向上させる方法、コストと消費電力を削減する方法、他のメモリ テクノロジと競合または連携する方法です。 ³
ソース：
(1) 強誘電体ランダムアクセスメモリ技術の開発状況と今後の課題 - IOPscience。 https://iopscience.iop.org/article/10.1143/JJAP.45.3189。
(2) FRAM FAQ - テキサス・インスツルメンツ・インド。 https://www.ti.com/pub/fram/fram_faq.html。
(3) メモリテクノロジー 2021: トレンドと傾向課題 - IEEE Explore。 https://ieeexplore.ieee.org/document/9592547。
技術的な問題
- メモリ容量: 強誘電体結晶の特性により、FRAM メモリの容量は比較的小さく、現在の最大密度は 256K ビット¹ に達することがあります。また、FRAM に占めるロジックの割合が大きすぎるため、コスト削減が困難になります。そのため、FRAMはDRAMやSRAMなどのメモリと競合することが難しく、ビッグデータの保存には適していません。
- メモリのパフォーマンス: FRAM メモリの読み取りおよび書き込み速度は、フラッシュ メモリや EEPROM などの不揮発性メモリよりも高速ですが、DRAM や SRAM などの揮発性メモリよりはまだ遅いです。さらに、FRAM メモリの読み取り操作によりメモリ セルの状態が変化する可能性があり、回路がその内容を自動的に復元する必要があるため、読み取り操作の時間も増加します¹。さらに、FRAM メモリには依然として最大アクセス (読み取り) 数の制限があります¹。
- メモリ検証: FRAM メモリは新しいタイプの不揮発性メモリであるため、まだ統一された規格や仕様が形成されていません。そのため、FRAMメモリ⁴の信頼性、安定性、互換性などをどのように評価するかなど、検証には依然として課題や困難がいくつかあります。
ソース：
(1) 強誘電体メモリ (ランダム アクセス メモリの一種)_百度百科. https://baike.baidu.com/item/%E9%93%81%E7%94%B5%E5%AD%98%E5 %82 %A8%E5%99%A8/3781126。
(2) 「次世代」メモリカードスロット、富士通のFRAM、NRAM、ReRAM製品ラインを1記事で理解 - 国際エレクトロニクスビジネス情報 - ESM China. https://www.esmchina.com/news/201805141433.html.
(3) 富士通FRAMはどのようにして誕生したのか？ - 志湖 https://zhuanlan.zhihu.com/p/367715443。
(4) FRAM テクノロジーの概要 - Zhihu. FRAM テクノロジーの概要 - Zhihu