La mémoire à sélecteur gagne des partisans
Un nouveau type de mémoire à semiconducteurs, la mémoire à sélecteur unique (SOM) ou mémoire à sélection automatique (SSM), pourrait être sur le point de renaître des cendres de la mémoire non volatile 3D XPoint d’Intel, qui a échoué.
IMEC, SK Hynix, Samsung et d’autres ont publié des documents techniques, des blogs et des articles de vulgarisation sur le sujet, qui pourraient être adoptés pour l’interconnexion Compute Express Link (CXL) ainsi que pour d’autres applications. Le CXL est utilisé pour la communication à grande vitesse entre les unités centrales de traitement (CPU) et la mémoire des périphériques ou les accélérateurs au sein des centres de données et présente donc un intérêt en raison du boom/de la bulle de l’IA.
Par conséquent, les SOM ou SSM pourraient réussir dans des applications où d’autres technologies de mémoire émergentes – les diverses formes de ReRAM à l’oxyde de métal et la mémoire à changement de phase – n’ont pas réussi à s’imposer jusqu’à présent.
La mémoire à sélecteur unique sera probablement basée sur des variantes des systèmes de matériaux à changement de phase des dispositifs à sélecteur de seuil d’Ovonic (OTS) qui ont été utilisés dans les mémoires 3D XPoint et qui sont utilisés pour divers dispositifs ReRAM.
L’alternative à l’OTS est un transistor utilisé comme sélecteur de cellules de mémoire. Un transistor est un dispositif à trois bornes qui occupe une surface supplémentaire par rapport à l’OTS à deux bornes. Par conséquent, bien que les transistors puissent être utilisés avec des mémoires intégrées, une certaine forme de dispositif à deux bornes est considérée comme supérieure, voire nécessaire, pour une mémoire discrète et empilable.
Un OTS est généralement une diode-commutateur au germanium-sélénium basée sur un point de croisement d’électrodes, de sorte qu’il peut être placé sous ou au-dessus de la cellule de mémoire sélectionnée. Le sélecteur joue un rôle clé dans la mesure où il sélectionne la cellule de mémoire à laquelle on s’adresse et empêche les « chemins détournés » à travers le tableau qui contourneraient la cellule sélectionnée. Cependant, la recherche a montré que l’OTS pouvait remplir les fonctions de cellule de mémoire et de sélecteur.
Recherche
Dans un article d’introduction publié récemment dans EDN, Daniele Garbin, ingénieur R&D à l’IMEC, et Gouri Sankar Kar, vice-président de l’IMEC chargé des mémoires, évoquent l’avènement du SoM (voir La promesse des mémoires OTS-only pour le calcul de nouvelle génération) .
Les auteurs indiquent que lors de leurs recherches sur le mécanisme de commutation des sélecteurs OTS SiGeAsSe, publiées en 2021, les chercheurs de l’IMEC ont remarqué que la tension de seuil du dispositif OTS variait en fonction de la polarité de l’impulsion précédente.
Cela a ouvert la voie à la possibilité de créer des mémoires denses exclusivement OTS, même si elles ne sont pas non volatiles. L’effet mémoire OTS-only, tel qu’il a été observé à l’époque, a duré plusieurs heures, mais le rafraîchissement périodique rend cette situation acceptable pour de nombreuses applications. Il est également signalé que la conservation des données sans alimentation électrique a été considérablement améliorée dans d’autres dispositifs SOM. Un SOM non volatile est donc possible.
La mémoire OTS uniquement présente l’avantage évident d’être plus simple que la pile PCM-OTS utilisée dans 3D XPoint. Elle devrait également nécessiter un courant beaucoup plus faible que celui nécessaire à la commutation des cellules PCM, ce qui se traduira par une technologie de mémoire plus économe en énergie. Cela devrait également permettre l’empilement de matrices, ce qui était un problème avec la mémoire 3D XPoint en raison de la susceptibilité de la PCM à la chaleur et à la diaphonie thermique.
Les auteurs rapportent que l’IMEC a fabriqué des mémoires OTS uniquement en utilisant le matériau SiGeAsSe entre les électrodes inférieures et supérieures en carbone sur des wafers de 300 mm de diamètre. L’endurance est de 10^8 cycles avec des opérations de lecture et d’écriture de 10ns et un courant d’écriture de <15 microampères.
Ils ajoutent que des recherches supplémentaires sont nécessaires pour tenter d’exclure l’arsenic et le sélénium toxiques des systèmes de matériaux, pour améliorer l’endurance à 10^12 et pour réduire la variabilité d’une cellule à l’autre et la dérive de la tension de seuil au fil du temps.
Les auteurs admettent que le ou les mécanismes physiques à l’origine de l’effet de polarité dans les mémoires OTS uniquement et de la dérive de la tension de seuil ne sont pas entièrement compris. La modulation de la vacuité commutée sur les surfaces internes des matériaux est l’une des dernières idées proposées pour tenter d’expliquer les effets observés. Cependant, la possibilité de coexistence de plusieurs effets induits par la tension continue de frustrer les observateurs et les chercheurs.
SK Hynix prépare le SOM
Les chercheurs de SK Hynix ont perçu le potentiel d’application des mémoires auto-sélectionnées et ont présenté les performances d’une SSM de 32 Mbits lors de l’International Electron Devices Meeting en décembre 2022 dans l’article Extremely high performance, high density 20nm self-selecting cross-point memory for Compute Express Link. L’empilement à cellule unique qui sert à la fois de mémoire et de sélecteur dans les opérations bidirectionnelles permet de surmonter les limitations d’échelle de la PCM conventionnelle.
Microscopie électronique à transmission (TEM) en coupe transversale d’un empilement de cellules SSM (à gauche) et microscopie électronique à balayage (SEM) en plan de huit tapis constituant un réseau de 32 Mbit (à droite). Source : SK Hynix : SK Hynix.
Le mécanisme opérationnel du SSM de SK Hynix serait lié à la migration atomique, selon Hyejung Choi, chercheur au Revolutionary Technology Center de SK Hynix, qui l’a écrit dans un blog en mai 2023. Cependant, Choi a déclaré que le modèle de migration atomique combiné à la théorie conventionnelle du transport ne permet pas d’expliquer les tensions observées. Là encore, la conclusion est qu’il est nécessaire de poursuivre les recherches.
Dans un blog publié en septembre 2023, Jaeyun Yi, un autre chercheur du Revolutionary Technology Center de SK Hynix, a conclu que « la mémoire à sélecteur seul est l’avenir des processus ultrafins ». Selon lui, cela s’explique par les limites de la mise à l’échelle que les chercheurs de SK Hynix ont observées dans une puce 3DXP à quatre étages de 256 Gbit mise en œuvre dans un processus de 20 nm et présentée lors du symposium sur la technologie VLSI de 2023.
« En raison de ces limitations, SK Hynix prépare le SOM comme solution alternative pour la prochaine génération de mémoires de stockage », a déclaré M. Yi. Il a ajouté : « Le SOM est donc appelé à devenir une solution de premier plan pour les applications de la prochaine génération, avec une longévité de mise à l’échelle au-delà de la technologie 1z nm. »
IEDM
Lors de l’International Electron Devices Meeting qui s’est tenu à San Francisco en décembre 2023, deux articles ont été consacrés à la technologie SOM.
Amélioration des mémoires sélectives à base de Se avec une vitesse d’écriture ultra-rapide (~10 ns) et des caractéristiques de rétention supérieures (>10 ans à la température ambiante) grâce à la conception des matériaux et à l’ingénierie du traitement UV , par des chercheurs de l’Université des sciences et technologies de Pohang, alias Postech.
Enhanced Endurance Characteristics in High Performance 16nm Selector Only Memory (SOM) a été réalisé par Il-Mok Park de Samsung Electronics. Cet article présente une mémoire à sélecteur unique (SOM) de 64 Gbits basée sur un commutateur à seuil ovonique (OTS) avec une dimension de cellule de 16 nm. Le document indique que les SOM sont vulnérables aux événements externes tels que les pointes de courant à la mise sous tension et les dommages induits par le processus, et fait également état des mesures prises par Samsung pour résoudre ces problèmes.
Liens et articles connexes :
Articles de presse :
La promesse des mémoires OTS-only pour la prochaine génération d’ordinateurs
Intel vend ses activités dans le domaine des mémoires NAND et des disques SSD à SK Hynix
IEDM : SK Hynix fabrique une mémoire crosspoint 3D à base de PCM
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