面積減半 采用Z-RAM技術(shù)新型DRAM問世
一家瑞士新興公司（Innovative Silicon Inc）已經(jīng)開發(fā)出一種極具潛力的、革命性的90納米DRAM技術(shù)，據(jù)稱該技術(shù)可改善內(nèi)存組件的速度、尺寸與功耗等方面。
Innovative Silicon公司表示，與傳統(tǒng)DRAM單元相較，采用其Z-RAM技術(shù)設(shè)計(jì)存儲(chǔ)單元在面積上減少一半，而執(zhí)行速度更快且功耗更低。不過，該技術(shù)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(bào)的嵌入式DRAM市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。
Innovative公司的DRAM單元不是采用存儲(chǔ)在電容器中的電荷來表示信息，而是透過在一個(gè)傳統(tǒng)絕緣硅(SOI)MOSFET的信道下擷取電荷來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。這種電荷會(huì)增大浮體效應(yīng)(Foating-Body Effect)，但同時(shí)也被認(rèn)為是SOI設(shè)計(jì)中的最大問題，以及導(dǎo)致SOI高速切換的禍源。截止目前為止，它從未在商業(yè)上作為存儲(chǔ)介質(zhì)。
但這并非新的理念。早在1990年，比利時(shí)IMEC的一位研究人員就獲得了在動(dòng)態(tài)內(nèi)存中使用浮體效應(yīng)的原始專利，Innovative公司總裁兼執(zhí)行長(zhǎng)Mark-Eric Jones介紹道。不過，IMEC最后認(rèn)為這個(gè)概念不可行并放棄了它。“他們讓這個(gè)專利失效了。”他補(bǔ)充道。
然而，并非所有人都對(duì)此失去了興趣。Innovative公司合伙人兼技術(shù)長(zhǎng)Pierre Fazan就是那些重新拾起此概念并從新的角度進(jìn)行嘗試的人員之一。2001年，F(xiàn)azan在一篇論文中首次采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(shí)，其它公司的研究人員也注意到了這種技術(shù)：一些日本半導(dǎo)體公司發(fā)表了相關(guān)文章，IBM也開始審議該技術(shù)。
Innovative公司存儲(chǔ)單元最出色之處就是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。它由單個(gè)晶體管構(gòu)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(dāng)施加足夠高的漏極電壓時(shí)，源極電流的大小取決于存儲(chǔ)在晶體管浮體中的電荷數(shù)量。如果在活動(dòng)區(qū)出現(xiàn)空穴，電流將迅速增大。如果在活動(dòng)區(qū)擷取了電子，電流將隨電壓逐步增高，并達(dá)到一個(gè)較低的最大值。
Z-RAM存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)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(tài)代表邏輯“1”，b的狀態(tài)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(yīng)，可以向晶體管的浮體注入電荷，因而實(shí)現(xiàn)向存儲(chǔ)單元寫入數(shù)據(jù)。前一種技術(shù)速度極快，而后一種技術(shù)功耗極低，這使得Innovative公司幾乎免費(fèi)獲得了該技術(shù)的高速和低功耗兩種版本。而問題是透過重新結(jié)合，電荷會(huì)逐漸消失，因此存儲(chǔ)單元必須不斷刷新。Fazan表示，幸運(yùn)的是，在工作溫度下，存儲(chǔ)單元的保持時(shí)間與傳統(tǒng)DRAM類似，所以可以采用相同的刷新速率。
“這當(dāng)然是一種值得關(guān)注的技術(shù)，”IBM半導(dǎo)體技術(shù)分析師Jack Mandelman強(qiáng)調(diào)，“不過，它存在很多潛在問題，包括時(shí)序問題以及相鄰單元間的相互影響。”
但其優(yōu)點(diǎn)也非常突出，例如在密度和性能方面。Innovative公司宣布已經(jīng)開發(fā)出90納米組件，讀寫時(shí)間低于3奈秒，一個(gè)位單元面積為0.18平方微米。目前，該公司正制造90納米的Mb級(jí)存儲(chǔ)數(shù)組。
另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是該內(nèi)存可以采用普通SOI CMOS邏輯制程制造。如果采用SOI進(jìn)行設(shè)計(jì)，無需改變標(biāo)準(zhǔn)邏輯制程，Z-RAM就適用于嵌入式內(nèi)存數(shù)組。
目前，Innovative計(jì)劃以單純的IP授權(quán)模式來進(jìn)軍嵌入式DRAM市場(chǎng)。它將授權(quán)硬IP，或者將向希望自行開發(fā)內(nèi)存的客戶授權(quán)底層技術(shù)并提供培訓(xùn)。而且，該公司還在開發(fā)一種內(nèi)存編譯器，也將授權(quán)給客戶。
對(duì)技術(shù)不成熟或經(jīng)濟(jì)上不具競(jìng)爭(zhēng)力的新興公司，嵌入式DRAM市場(chǎng)將會(huì)是它們的惡夢(mèng)。NEC可能是目前唯一看好該領(lǐng)域的公司。NEC定制LSI部門的副總裁兼總經(jīng)理Philip LoPresti表示，該公司已經(jīng)看到客戶對(duì)其MIM(金屬-絕緣體-金屬)電容器嵌入式DRAM制程表現(xiàn)出興趣，尤其是在90納米方面。
此外，在一塊90納米芯片上可以放置的內(nèi)存數(shù)量，使得嵌入式DRAM正超越訊框緩沖存儲(chǔ)器器或高速暫存內(nèi)存等應(yīng)用。Innovative公司的Jones預(yù)計(jì)，這也將成為有利于公司發(fā)展的要素。“憑借比其它DRAM更小的面積和更高的速度，我們不再只關(guān)注專用的緩沖存儲(chǔ)器，”Jones表示，“這種DRAM速度快、密度大，足以作為ARM類處理器的L2高速緩沖存儲(chǔ)器，或高階工作站CPU的L3高速緩沖存儲(chǔ)器，同時(shí)能獲得比SRAM更低的功耗和更大的密度。”
前景是令人向往的，但也并非一片坦途。例如，浮體效應(yīng)只在SOI中是重要的，這限制了Innovative公司的市場(chǎng)空間。迄今為止，只有少數(shù)芯片是采用SOI制程生產(chǎn)的，包括IBM的Power CPU、AMD的CPU產(chǎn)品線，以及Sony和Toshiba正為下一代Playstation開發(fā)的芯片。這些產(chǎn)品都沒有采用傳統(tǒng)ASIC設(shè)計(jì)，而且每一種產(chǎn)品都需要設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)付出巨大努力。
Innovative公司要解決的另一個(gè)問題將是與IBM之間的專利之爭(zhēng)。“在Fazan發(fā)表原始論文之后還有許多工作要做，”IBM的Mandelman說，“Toshiba已經(jīng)發(fā)表了描述一種類似單元的論文。而我們涉及開發(fā)了IP以解決與原始工作有關(guān)的問題。”
關(guān)注我們
