DRAM是存儲(chǔ)器市場(chǎng)當(dāng)中最大細(xì)分領(lǐng)域。同時(shí)，隨著服務(wù)器、智能手機(jī)、PC等產(chǎn)品對(duì)DRAM需求的增長(zhǎng)，這類半導(dǎo)體產(chǎn)品將迎來(lái)新一輪的超級(jí)成長(zhǎng)時(shí)期。
從結(jié)構(gòu)上看，DRAM存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)單元由一個(gè)電容器和一個(gè)晶體管組成。電容器用于存儲(chǔ)電荷，晶體管用于訪問(wèn)電容器，可以讀取存儲(chǔ)了多少電荷，也可以存儲(chǔ)新的電荷。但隨著小型化、集成化的發(fā)展，DRAM的缺點(diǎn)也暴露了出來(lái)——單個(gè)晶體管不能很好地將電荷保持在小電容器中。它將使電流從電容器泄漏或流向電容器，從而隨著時(shí)間的流逝而失去其明確定義的充電狀態(tài)。通過(guò)定期刷新DRAM可以避免此問(wèn)題，但這意味著讀取存儲(chǔ)器的內(nèi)容并將其重新寫(xiě)回。
而在數(shù)據(jù)處理需求的激增下，這種類型的DRAM并更好地滿足未來(lái)市場(chǎng)需求。因此，業(yè)界也在尋找新的技術(shù)來(lái)改善目前DRAM的技術(shù)。在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中，有一些企業(yè)和機(jī)構(gòu)對(duì)無(wú)電容 DRAM技術(shù)展開(kāi)了研究。
DFM
動(dòng)態(tài)閃存（Dynamic Flash Memory：DFM）是由Fujio Masuoka博士創(chuàng)立的公司Unisantis Electronics推出的。據(jù)介紹，這是一種比DRAM或其他類型的易失性存儲(chǔ)器更快，更密集的技術(shù)，并將有希望成為DRAM的替代者。
DRAM是一種易失性的、基于電容的、破壞性讀取形式的存儲(chǔ)器——長(zhǎng)期以來(lái)，它的挑戰(zhàn)一直是在不增加功耗的情況下繼續(xù)封裝在更低的成本中。
DFM也是易失性存儲(chǔ)器的一種，但是由于它不依賴于電容器，因此泄漏路徑較少。采用這種技術(shù)的開(kāi)關(guān)晶體管和電容器之間沒(méi)有連接。
在DFM開(kāi)發(fā)的過(guò)程當(dāng)中，垂直環(huán)繞門(mén)晶體管（SGT）技術(shù)充當(dāng)著重要的角色。據(jù)介紹，垂直SGT為最終的電路實(shí)現(xiàn)提供了幾個(gè)關(guān)鍵特性：與平面和FinFET晶體管相比，提高了面密度；由于對(duì)晶體管通道的周?chē)鷸艠O進(jìn)行了強(qiáng)大的靜電控制，因此降低了泄漏功率，針對(duì)最終應(yīng)用優(yōu)化晶體管寬度和長(zhǎng)度尺寸，無(wú)論是高性能還是極低的功耗。
DFM / SGT技術(shù)仍會(huì)泄漏電荷，但速率要比DRAM慢得多，并且讀取是無(wú)損的。這意味著刷新周期之間的間隔更長(zhǎng)，因此有更多的讀寫(xiě)帶寬。DFM / SGT提供塊刷新和擦除，并且比DRAM提供更快的訪問(wèn)速度。
Unisantis聲稱，在仿真中，DFM具有很大的潛力，其密度是DRAM的四倍，并且具有顯著的Gb / mm?改善。它說(shuō)，使用DFM的單元結(jié)構(gòu)，當(dāng)今對(duì)DRAM（當(dāng)前為16Gb）的限制可能會(huì)立即增加到64Gb內(nèi)存。
Unisantis已經(jīng)發(fā)展了DFM概念，現(xiàn)在正尋求發(fā)展一系列的內(nèi)存和鑄造合作伙伴關(guān)系，以公開(kāi)測(cè)試和演示DFM的功能和潛力。
2T0C DRAM
除了DFM外，來(lái)自佐治亞理工、圣母大學(xué)、羅徹斯特理工學(xué)院的研究者也曾提出了一種新型的無(wú)電容DRAM。
在去年舉行的 IEEE 國(guó)際電子設(shè)備會(huì)議（IEDM）上，該研究小組表示：“這種新型的DRAM 由氧化物半導(dǎo)體制成，并內(nèi)置在處理器上方的各層中，其位長(zhǎng)是商用 DRAM 的數(shù)百或數(shù)千倍，并且在運(yùn)行大型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)可以提供較大的區(qū)域，節(jié)省大量能源。”
這種新的嵌入式DRAM僅由兩個(gè)晶體管制成，沒(méi)有電容器（2T0C）。這之所以可行，是晶體管的柵極是自然的（盡管很小）電容器。因此，代表該位的電荷可以存儲(chǔ)在此處。該設(shè)計(jì)具有一些關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，特別是對(duì)于AI。
據(jù)了解，2T0C DRAM單元讀取數(shù)據(jù)，無(wú)需破壞數(shù)據(jù)，不必重寫(xiě)數(shù)據(jù)。該研究小組成員表示，2T0C的排列方式不適用于硅邏輯晶體管。由于晶體管的柵極電容太低并且通過(guò)晶體管的泄漏太高，任何位都會(huì)立即流失。因此，研究人員轉(zhuǎn)向由非晶氧化物半導(dǎo)體制成的設(shè)備。
在這種方法的指導(dǎo)下，比利時(shí)微電子研究中心（Imec）的研究人員在國(guó)際電子器件會(huì)議（IEDM）上推出了一種類似的 2T0C 嵌入式方案，該方案使用銦鎵鋅氧化物（IGZO）作為半導(dǎo)體。Imec的高級(jí)科學(xué)家Attilio Belmonte指出，IGZO必須在有氧的情況下進(jìn)行退火，以修復(fù)由氧空位引起的材料缺陷。這具有減少I(mǎi)GZO中可有助于電流流動(dòng)的自由電子數(shù)量的作用，但是如果沒(méi)有它，這些設(shè)備將不會(huì)像開(kāi)關(guān)那樣起作用。
VLT技術(shù)
Kilopass也曾在2016年推出過(guò)VLT技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)電容DRAM。
據(jù)了解，Kilopass的VLT采用無(wú)電容結(jié)構(gòu)，通過(guò)垂直方式實(shí)現(xiàn)晶閘管架構(gòu)，從而使存儲(chǔ)單元更加緊湊。緊湊的結(jié)構(gòu)加上所需的物理器件，構(gòu)造出制造工藝簡(jiǎn)單的交叉點(diǎn)內(nèi)存，這將帶來(lái)一項(xiàng)與DDR標(biāo)準(zhǔn)兼容，并且比當(dāng)時(shí)頂尖的20納米DRAM制造成本低45%的新技術(shù)。
與2T0C DRAM不同的是，據(jù)當(dāng)時(shí)的媒體報(bào)道稱，VLT技術(shù)存儲(chǔ)技術(shù)無(wú)需任何新材料，可以做到與邏輯CMOS工藝100%兼容。
Z-RAM
Z-RAM由Innovative Silicon進(jìn)行開(kāi)發(fā)的，這也是一種無(wú)電容器的新型DRAM。據(jù)此前的報(bào)道顯示，Z-RAM是一個(gè)單晶體管DRAM，僅由一個(gè)晶體管作為存儲(chǔ)位單元。與由單個(gè)晶體管和復(fù)雜電容器組成的DRAM不同，不需要電容器或其他結(jié)構(gòu)即可形成Z-RAM存儲(chǔ)位單元。
Z-RAM依靠floating body效應(yīng)，即絕緣體上硅（SOI）工藝的偽影，該工藝會(huì)將晶體管放置在隔離的槽中（晶體管體電壓相對(duì)于槽下方的晶圓襯底“float”）。floating body效應(yīng)導(dǎo)致在 tub的底部和下面的基板之間出現(xiàn)可變電容。floating body效應(yīng)通常是一種寄生效應(yīng)，會(huì)影響電路設(shè)計(jì)，但也可以在不添加單獨(dú)電容器的情況下構(gòu)建類似于DRAM的單元，然后，floating body效應(yīng)便取代了常規(guī)電容器。因?yàn)殡娙萜魑挥诰w管的下方（而不是像常規(guī)DRAM那樣與晶體管相鄰或位于晶體管上方），所以名稱“ Z-RAM”的另一個(gè)含義是它沿負(fù)z方向延伸。
在Z-RAM存儲(chǔ)單元中，通過(guò)使用碰撞電離產(chǎn)生多余的空穴和殘留的正電荷，邏輯狀態(tài)存儲(chǔ)在晶體管的浮體中。與DRAM中的電容器不同，讀取操作不會(huì)嘗試直接測(cè)量存在的電荷量。取而代之的是，電荷將柵極閾值電壓改變?yōu)榇蠹s1伏，從而提供了可觀的讀取噪聲容限。
RAM是在標(biāo)準(zhǔn)SOI邏輯過(guò)程中實(shí)現(xiàn)的，因此它將在邏輯上遷移到SOI所在的相同應(yīng)用程序區(qū)域中。有報(bào)道稱，它在速度、功率和密度方面的廣泛可配置性使它幾乎可以應(yīng)用于任何使用高速內(nèi)存的地方，特別是在高性能SOI應(yīng)用程序中。
然而，隨著傳統(tǒng)SRAM制造技術(shù)的進(jìn)步（最重要的是，向32nm制造節(jié)點(diǎn)的過(guò)渡），Z-RAM失去了它的優(yōu)勢(shì)。
這種趨勢(shì)也反應(yīng)在其商業(yè)應(yīng)用上。據(jù)維基百科的介紹顯示，雖然AMD在2006年批準(zhǔn)了第二代Z-RAM，但該處理器制造商在2010年1月放棄了Z-RAM計(jì)劃。類似地，DRAM生產(chǎn)商SK Hynix也在2007年授權(quán)Z-RAM用于DRAM芯片，Innovation Silicon在2010年3月宣布，他們正在聯(lián)合開(kāi)發(fā)一種非SOI版本的Z-RAM，可以用更低成本的批量CMOS技術(shù)生產(chǎn)，但該公司在2010年6月29日倒閉了。隨后，其專利組合于2010年12月被美光科技收購(gòu)。
另外一種途徑
與無(wú)電容器DRAM這種方式相比，IBM則提出了另外一種方式，這也被視為是推動(dòng)DRAM繼續(xù)發(fā)展的另外一條途徑。
IBM表示，過(guò)去的二十年中，人們一直在嘗試擺脫電容器，從而進(jìn)一步減少DRAM單元的面積和制造成本。而為了進(jìn)一步縮小尺寸，拆掉電容器幾乎已成為當(dāng)務(wù)之急。這就要求做到在不減少可存儲(chǔ)電荷量的情況下，縮小cell的橫向尺寸，那就留出了一條可供制造的途徑，即：使電容器“藏”得更深。
但I(xiàn)BM指出，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這是一個(gè)瓶頸，這不僅是由于幾何（geometrical）約束，而且還因?yàn)椤翱住保╳ell）頂部的電荷積累使使用整個(gè)存儲(chǔ)容量更具挑戰(zhàn)性。而將電荷存儲(chǔ)在晶體管主體中已被認(rèn)為是進(jìn)一步縮小尺寸的最佳策略。研發(fā)人員已經(jīng)使用硅對(duì)無(wú)電容器DRAM cell的不同變體進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。但是很少有人關(guān)注基于替代半導(dǎo)體材料的類似概念。在2019年的《自然電子雜志上》，IBM展示了有史以來(lái)最小的無(wú)電容器DRAM，其存儲(chǔ)單元長(zhǎng)度只有14納米。
這是一個(gè)單晶體管，無(wú)電容器的DRAM cell，它使用晶體管主體作為一種電容器，其中的電荷（在這種情況下為空穴）被臨時(shí)存儲(chǔ)在其中。電子空穴從晶體管主體的注入和抽出使得能夠調(diào)節(jié)晶體管的靜電行為，從而導(dǎo)致兩個(gè)不同的電流水平。像InGaAs這樣的III-V材料通常具有比硅更小的帶隙，而硅原則上具有在低得多的電壓下工作的潛在優(yōu)勢(shì)。反過(guò)來(lái)，這轉(zhuǎn)化為可能更低的功耗。
IBM方便表示，他們已經(jīng)證明了無(wú)電容器MSDRAM cell的柵極長(zhǎng)度為14納米的可行性。通過(guò)使用晶體管本體來(lái)存儲(chǔ)電子空穴數(shù)量，我們能夠獲得對(duì)應(yīng)于二進(jìn)制狀態(tài)0和1的兩個(gè)不同的電流電平。而該存儲(chǔ)器概念的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)證實(shí)了TCAD仿真獲得的結(jié)果。
與基于硅的實(shí)現(xiàn)相比，IBM使用InGaAs的新穎概念為實(shí)現(xiàn)DRAM存儲(chǔ)器的積極小型化提供了一條有希望的途徑，同時(shí)還降低了功耗。從有關(guān)性能指標(biāo)（例如保留時(shí)間）的這一概念進(jìn)一步改進(jìn)的潛力，而IBM艱辛存在可行的策略來(lái)實(shí)現(xiàn)這些改進(jìn)。
從這些新技術(shù)的出現(xiàn)中，我們得以預(yù)見(jiàn)，DRAM正在開(kāi)啟新一輪的變化。而哪種技術(shù)能夠取代現(xiàn)在的DRAM，還需要市場(chǎng)的考驗(yàn)。
