Vilken är den Ideala Universella Minnet: GST467 Superlattice PCM vs. UltraRAM

Nyligen har ett forskningspapper publicerat om GST467 av Xiangjin Wu och Asir Intisar Khan från Institutionen för Elektroteknik, Stanford University, och AMD:s UltraRAM förvånat teknikentusiaster och experter med sina lovande radikala framsteg jämfört med traditionella minnesarkitekturer. Både superlattice-fasändringsminne (PCM) och UltraRAM syftar till att öka kapacitet, hastighet och effektivitet, men deras underliggande principer är ganska olika.

Här är hur båda närmar sig de ökande kraven på högpresterande, energieffektiv databehandling vid första anblicken:

• Den nya nanokomposit-superlattice PCM ökar lagringen genom flerskiktsnanostrukturer, snabbare operationer via nano-skala uppvärmning och ultralågt energiförbrukning.
• UltraRAM ökar lagringen genom att sammankoppla kompakta minnesceller. Det fungerar också snabbare än sina traditionella motsvarigheter genom att förkorta datapathar och intelligent strömhantering.

Även om vi har länkat de omfattande resurserna som diskuterar de två i detalj, hittade vi ingen trovärdig källa som jämför dem. Så låt GST467 Superlattice PCM vs. UltraRAM-duellen börja.

Material och Struktur

De innovativa superlattice- och nanokompositmaterialen som används i varje teknik påverkar i grunden deras prestanda, skalbarhet och integrationsmöjligheter. Att jämföra material och strukturer ger viktig insikt i de grundläggande fördelarna och kompromisserna med dessa framväxande minneslösningar.

Superlattice-fasändringsminne använder exotiska nya material som GST467-nanokompositer i atomärt precisa superlattice-strukturer. Denna unika nanoskaliga design ökar växlingshastigheten men kräver specialiserad utrustning. I kontrast använder UltraRAM standard CMOS-transistorer utan nya material, vilket enkelt integreras i befintliga tillverkningsflöden.

Superlatticeens ultratunna 2-4nm lager möjliggör oöverträffad skalningspotential. Dock medför dess nanokompositmaterial och tillverkningskomplexitet integrationsutmaningar. Å andra sidan uppnår UltraRAM:s 4Kx72b SRAM-block hög densitet genom konventionella layouttekniker som är kompatibla med etablerade processer.

Trots prestandafördelar kräver superlattice-minnet nya tillverkningsinvesteringar för sina specialiserade material och atomskaliga lager. UltraRAM utnyttjar fortsatt CMOS-skalning utan störande förändringar.

Kapacitet och Densitet

Minnesdensitet är en kritisk metrisk för att möjliggöra högkapacitets, kompakt lagringslösningar som krävs av moderna beräkningsarbetsbelastningar. Att utvärdera den maximalt uppnåbara densiteten belyser potentialen hos varje teknik för att möjliggöra framtida högdensitets systemarkitekturer.

Ny Nanokomposit Superlattice Fasändringsminne driver densitetsskalningsgränser med sina 40nm enheter – de minsta PCM-cellerna någonsin uppnådda. Denna superlattice-teknik visar utmärkta högdensitetsegenskaper som snabb växling, låg energiförbrukning och hög uthållighet, vilket möjliggör 3D-staplingsmöjligheter för att uppnå NAND flash-liknande kapaciteter i ultrakompakta formfaktorer.

UltraRAM använder ett unikt kaskadförfarande med sina 4Kx72b SRAM-byggblock. Vertikal sammankoppling av upp till 2048 block ger kapaciteter på upp till 576Mb per kolumn. Horisontell kaskad utökar ytterligare 2D-arraydensiteter. Kombination av kaskad med 3D die/wafer-stapling med 64 lager ger enorma 36Gb kapaciteter inom en enda kompakt stapel.

Energiförbrukning

Att minimera energiförbrukning är avgörande för energieffektiv databehandling, särskilt i mobila och inbäddade applikationer. Jämförelse av aktiv och standby-effekt illustrerar energiprofilen som bäst passar olika användningsfall.

Det nya GST467 superlattice PCM uppnår oöverträffad låg effekt-drift på grund av sina unika nanostrukturerade material. På 40nm-skalan demonstrerade det rekordlåga 85µA återställningsströmmar motsvarande en minimal 60µW skrivkraft och en otrolig 5 MW/cm2 effektdensitet – över 10 gånger bättre än standard PCM. Detta superlattice begränsar exakt värmen med inbäddade SbTe-nanokluster, vilket sänker kristalliseringsbarriären.

UltraRAM utnyttjar standard lågspännings-CMOS-kretsar, med sina kompakta 4Kx72b block optimerade för 60-100µW aktiv effekt. Dess verkliga styrka ligger i konfigurerbara standby-lägen – Sleep minskar idle-läckage till milliwatt, medan Power Gating eliminerar det helt. Drowsy-läget balanserar måttlig läckage-reduktion med snabb uppvakning för högre prestanda. Dessa flexibla lägen möjliggör optimala energi/prestanda-avvägningar för olika applikationer.

Spänningsskalning

Drift vid låga spänningar är avgörande för integration med avancerade CMOS-logiknoder. Utvärdering av spänningsskalningspotential visar kompatibilitet med modern halvledartillverkning och designflöden.

GST467 superlattice PCM uppnår rekordlåg 0,7V drift i 40nm enheter. Denna ultralåga spänningsdrift är viktig för kompatibilitet med den senaste CMOS-logiken som arbetar runt 0,8V. Superlattice:s nanoskaliga avgränsning möjliggör växling med minimala spänningar, ytterligare assisterad av SbTe-nanokluster som främjar enhetlig kristallisation. Dess skarpa set/reset-övergångar minimerar spänningsmarginaler för lågspänningsläsningar.

UltraRAM:s CMOS-grunder möjliggör drift ner till 0,9V i 40nm noder. Dess SRAM-bitceller och periferi är noggrant designade för pålitlig lågspänningsdrift med tekniker som transistoroptimering och specialiserade krets-topologier. De små bitcell-arrayerna och lokala spänningsdomäner mildrar lågspänningsutmaningar. UltraRAM kan utnyttja den senaste låg-Vt logikprocessen och potentiellt skala till 0,65V eller lägre med assisttekniker.

Åtkomsthastighet och Latens

Minnesprestanda påverkar direkt systemets totala svarstid och genomströmning. Benchmarking av åtkomsttider och latens avslöjar prestandaområden som bäst matchar olika applikationskrav.

GST467 superlattice PCM bryter nya hastighetsgränser med 40ns skrivtider – över 10 gånger snabbare än standard PCM på 40nm-skala. Dess nanokluster underlättar snabb, enhetlig kristallisering, medan begränsad uppvärmning möjliggör snabba temperaturövergångar, vilket ger dessa imponerande prestandanivåer. Dessutom närmar sig lästider under 10ns DRAM:s nivåer, tack vare det höga resistansförhållandet som möjliggör pålitlig avläsning.

Även om extremt snabb för en enskild cell, kräver uppnåelse av låg PCM-array skrivlatens att man övervinner de inneboende begränsningarna i fasändringsmekanismen. Parallellisering av operationer med avancerade arkitekturer och gränssnitt hjälper till att mildra denna flaskhals. Betydligt är att dess icke-destruktiva läsningar eliminerar skrivåterkopplingskostnader för minskad effektiv latens.

UltraRAM utnyttjar sin SRAM-liknande design och uppnår förbluffande ~1ns åtkomsttider för 72-bitars ord, tack vare kompakta bitcell-arrayer och avancerade kretsar. Parallella åtkomster över kaskaderade block minimerar latenseffekter, med hjälp av pipeline-register. Även om dess smala ordbredd kräver fler operationer för stora överföringar, kompenserar höga klockfrekvenser och avancerade gränssnitt. Sammantaget levererar UltraRAM exceptionell prestanda som konkurrerar med konventionell SRAM.

Uthållighet och Retention

Robust datauthållighet och retention är kritiska för icke-flyktigt lagring, vilket möjliggör pålitlig långsiktig drift. Jämförelse av dessa mått identifierar lämplighet för applikationer från kodlagring till databascache.

GST467 superlattice PCM visar exceptionell uthållighet, över 2×10^8 skrivcykler i 40nm enheter, vilket avsevärt förbättrar konventionell PCM. Dess unika superlattice-struktur minimerar defekter samtidigt som den fördelar spänning jämnt, vilket bidrar till denna robusthet. Dataretention är också imponerande, med demonstrerade 10^5 timmars kapacitet vid 85°C, vilket projicerar till över tio år vid rumstemperatur.

UltraRAM, som är en volatil SRAM-teknik, är inte designad för långsiktig, icke-flyktig lagring. Den integrerar dock innovativt “shadow storage” med inbäddade icke-flyktiga minnen som ReRAM för att tillhandahålla korttidsdatabackup vid strömavbrott. Dess verkliga styrka ligger i fenomenal uthållighet bortom 10^15 skrivcykler, begränsad endast av transistorslitningsmekanismer. Optimerad för låg stress kan UltraRAM-celler tåla mycket högre skrivtrafik än omgivande logikkomponenter.

Även om de inte är avsedda för arkivlagring, visar båda teknologierna övertygande uthållighets- och retentionsegenskaper anpassade till deras målapplikationsområden – GST467 PCM för icke-flyktig lagring och UltraRAM för pålitlig aktiv in-memory computing.

Klicka här för att lära dig om de 3d-processorer som kommer forma framtidens datatransfer.

Felkorrigering

Att säkerställa dataintegritet genom felkorrigering är avgörande för alla minnessubsystem. Bedömning av ECC-kapacitet och overhead belyser verklig pålitlighet under teknikens livstid.

Felkorrigering är avgörande för att säkerställa dataintegritet under hela livslängden för någon minnesteknik. GST467 superlattice PCM kan enkelt utnyttja väl etablerade ECC-scheman som Hamming- och BCH-koder. Dock måste den beakta asymmetriska “stuck-at”-fel genom tekniker som write-verify-write eller avancerade stuck-at-medvetna ECC-algoritmer som avväger komplexitet och overhead.

För UltraRAM är en nyckelfördel dess sömlösa integration med samma ECC-motorer och IP, som också skyddar den omgivande CMOS-logiken och SRAM. På grund av dess inneboende SRAM-liknande pålitlighet kan UltraRAM kräva färre ECC-interventioner. Dock kräver hantering av flerbitfel över dess 72-bitars datapath noggrann ECC-design. Att använda tekniker som hierarkisk och interleaved ECC kan minska overhead samtidigt som robusta korrigeringsmöjligheter bibehålls.

I slutändan är implementering av omfattande felkorrigering oumbärlig för pålitlig långsiktig drift av båda minnesteknologierna trots deras olika arkitekturer och felprofiler. Den optimala ECC-implementeringen balanserar detekteringsstyrka, area-kostnad och prestandapåverkan.

Variation och Drift på Chipet

Processvariationer och operativ drift kan försämra minnesprestanda och pålitlighet. Genom att utvärdera minnes känslighet för dessa faktorer får vi insikt i tillverkningskomplexitet och dess operativa stabilitet.

Variation och drift på chipet utgör pålitlighetsutmaningar för icke-flyktiga minnen, inklusive nya superlattice PCM-teknologier. Denna tekniks högt ordnade nanostruktur minimerar cell-till-cell variation jämfört med konventionell PCM, tack vare dess stabila superlattice-lager och höga kristallisationstemperatur, vilket intrinsiskt minskar resistansdrift över tid.

Icke desto mindre, för att motverka dessa utmaningar är det viktigt att använda tekniker som adaptiv skriv/MLC-programmering, drift-kompensationsalgoritmer och starkare felkorrigering. Dessa kretsnivå-ansatser motverkar återstående variation i växlingsspänningar och resistansnivåer. Genom noggrann hantering via övervakning och justering säkerställer ett synergistiskt tillvägagångssätt konsekvent långsiktig drift och prestanda.

Väl etablerade variationsmedvetna designmetoder används redan för CMOS-baserad UltraRAM. Speciellt adaptiv biasning, tillsammans med redundans, mildrar effekter från transistor-mismatchar. Noggranna processoptimeringar minskar variabilitet från slitningsmekanismer. Dessutom används statistiska simuleringar för att vägleda implementationer som tolererar förväntade spridningar. Sammantaget banar dessa åtgärder vägen för att skapa ett beprövat verktygssats som hanterar tillverknings- och driftsinstabiliteter.

I grund och botten hanterar båda teknologierna variabilitet genom arkitektoniska fördelar kombinerade med krets-tekniker. Detta tillvägagångssätt hjälper till att tackla drift/mismatch samtidigt som långsiktig pålitlighet upprätthålls för robusta verkliga implementationer.

3D Integrationspotential

3D-stapling kan avsevärt förbättra minnesdensitet och bandbredd, särskilt i enheter med begränsat utrymme. Genom att analysera dess genomförbarhet kan vi få bättre insikter i dess skalbarhet för framtida högpresterande och högkapacitets systemarkitekturer.

Den innovativa superlattice-strukturen i GST467 PCM möjliggör naturligt vertikal stapling för 3D-integration. Flera atomärt uniforma lager är anslutna via vertikala interconnects som TSV:er, vilket möjliggör dramatiskt högre densitet genom att stapla många arrayer. Dock medför denna densitet termiska utmaningar från koncentrerad 3D-effektdissipation.

Å andra sidan utnyttjar UltraRAM CMOS-kompatibilitet för enkel 3D-integration – antingen monolitiskt tillverka sekventiella lager eller stapla enskilda die. Dess skalbarhet med logiknoder stödjer de ständigt ökande 3D-densiteterna som är idealiska för applikationer som in-memory computing. Det är dock viktigt att anpassa strömförsörjning, testning och redundans för pålitlig 3D UltraRAM-drift.

Även om båda teknologierna visar stark 3D-potential med unika avvägningar, krävs omfattande forskning för att optimera dessa designer. Med det sagt visar milstolps-64-lagers GST467-prototyper och petabyte-skala 3D UltraRAM-projektioner lovande förbättringar i densitet och bandbredd. Att bemästra 3D-tillverkning kommer att öppna dörrarna till den verkliga högkapacitets- och högprestandalöftet med dessa innovationer.

Integration och Tillverkning

I slutändan är sömlös integration med befintliga halvledarprocesser och designflöden avgörande för kommersiell livskraft. Att beakta integrationskomplexitet avslöjar praktiska antagningsutmaningar i tillverkning.

Den innovativa GST467 superlattice PCM, tillverkad med standarddeposition och mönstring, är redo att driva integrationsgränser. Dock kräver dess atomärt precisa superlattice-lager strikt tjocklekskontroll. 

Modifierade ets-chemikalier används för att förhindra skador, medan thermal budgeting blir kritisk för CMOS-ko-integration utan interdiffusion – med stöd av barrierlager. Som korrigerande åtgärder hjälper barrierlager med thermal budgeting, vilket är avgörande för CMOS-ko-integration utan interdiffusion. De ger också skydd mot skador. 

I kontrast integreras UltraRAM sömlöst genom att modifiera konventionella 6T SRAM-bitceller inom standardlogikprocessflöden. Sådana designjusteringar möjliggör även funktioner som sömnlägen samtidigt som de interagerar med transistorer och interconnects. Men skalning till 7nm och längre kräver avancerad mönstring och nya transistorarkitekturer. Därför behövs omfattande testmetoder och avancerade förpackningsscheman för att karakterisera nya funktioner.

Sammanfattning

Både Superlattice PCM och UltraRAM har unika värdeerbjudanden och begränsningar, men istället för att försöka uppnå en allsmäktig vinnare, dvs. universellt minne, måste systemarkitekter synergistiskt samoptimera dessa disruptiva teknologier.

Med en årlig omsättning på  $22,68 miljarder och nettoresultat på $854 miljoner, strävar Advanced Micro Devices (AMD ) efter att utmana hegemonin hos större aktörer som Nvidia (NVDA ) och kan ge sig in i mer premiumkategorier med innovationer som UltraRAM. Intel (INTC ) har dock offentligt visat intresse för PCM, vilket ökar dess relevans i framtiden.

Klicka här för att