Ölçeklendirmenin pek de işe yaramadığı bir teknoloji ürünü varsa o da DRAM’dir. Bunun bazı nedenleri var: En önemlisi ise DRAM hücrelerinin gerçek tasarımı ve üretim ilişkisi. Yarı iletken devre tasarımı konusunda uzmanlaşmış bir şirket olan Lam Research, gelecekteki DRAM ürünlerinin gelişim sürecine ilişkin öneri niteliğinde bir makale yayınladı.
Özetle, gelecekte 3D DRAM kullanımı mümkün olabilir. Şirkete göre üretilebilir bir 3D DRAM cihazı tasarlayabilmemiz yaklaşık 5-8 yılımızı alacak, 2D DRAM ölçeklendirmesinin sona erdiği an ile 3D DRAM ölçeklendirmesinin başladığı an arasında olası üç yıllık bir boşluk doğacak.
Lam Research, tescilli SEMulator3D yazılımını kullanarak olası 3D DRAM tasarımlarını paylaştı. Ölçeklendirme ve katman istifleme zorlukları, kapasitör ve transistör küçültme, hücreler arası bağlantı ve via dizileri (diğer 3D tasarımlarında kullanılan ara bağlantılar) ile ilgili bazı çözümleri görüyoruz. Son olarak şirket, önerdikleri tasarımın fabrikasyonunu mümkün kılan süreç gereksinimlerini ortaya koydu.
DRAM hücrelerinin tasarlanma şekli nedeniyle, 2D DRAM bileşenlerini yan şekle getirip üst üste yığmak mümkün değil. Bunun nedeni ise DRAM hücrelerinin yüksek bir en-boy oranına sahip olmaları (kalınlıklarından daha uzunlar). Bunları yan yatırmak için mevcut kapasitemizin ötesinde yanal aşındırma (ve doldurma) yetenekleri gerekiyor.
Ancak tasarım kısıtlamalarının etrafından dolaşmaya çalışırken bazı değişiklikler yapmak ve bazı şeyleri isteğe uygun şekilde uyarlamak mümkün olabilir. Bunu söylemek basit lakin hayata geçirmek oldukça zor. Halihazırda 3D DRAM’lere sahip olmamamızın bir nedeni var.
Mevcut DRAM devre tasarımları temelde üç bileşene ihtiyaç duyar: bir bit hattı (akım enjekte eden iletken bir yapı); bit hattının akım çıkışını alan ve elektrik akımının devreye akıp akmayacağını (ve devreyi doldurup doldurmayacağını) kontrol eden kapı görevi gören bir transistör; ve bit hattı ve transistörden geçen akımın nihayetinde bir bit (0 veya 1) şeklinde depolandığı bir kapasitör.
Lam Research, çalışan bir mimariye ulaşmak için birkaç çip tasarım “hilesi” kullandı. Birincisi, bit hattını transistörün karşı tarafına taşıdılar. Bit hattı artık kapasitör tarafından çevrelenmediği için bu, bit hattının kendisine daha fazla transistör bağlanabileceği ve çip yoğunluğunun artacağı anlamına geliyor.
Devre tasarımları yapan şirket, alan yoğunluğu kazanımlarını en üst düzeye çıkarmak için birkaç son teknoloji transistör üretim tekniği de uygulamış. Bunlar arasında Intel’in yeni nesil geçit teknolojileri için araştırdığı Gate-All-Around (GAA) forksheet tasarımları da yer alıyor. Lam Research tarafından önerilen yeni DRAM mimarisiyle birlikte, tıpkı SSD’lerde yer alan NAND’larda olduğu gibi hücre tasarımının katmanları üstü üste gelecek şekilde kümelenebilir.
Yenilikçi Bağlantılar
3D DRAM için yeni mimari tasarım bir kenara, ara bağlantı teknolojileri kritik derecede önemli. Lam Research, akımın merkezi bir bit çizgisi yığını boyunca hareket etmesini kolaylaştırmak amacıyla her katmanı birbirine bağlayan bir dizi yatay MIM (metal-izolatör-metal) kapasitörün yanı sıra kapıları silikon transistörlerin etrafına sarmak (gate-all-around) dahil olmak üzere birkaç yeni yaklaşım önerdi. 28 katmanlı 3D tasarımın temel bileşenleri şu şekilde:
- Kapının her tarafını saran nano tabakalı silikon transistör yığını
- İki sıra transistör arasında bit hattı katmanlarından oluşan bir yığın
- 24 dikey wordline (DRAM birimi).
- Bit hattı katmanları ve transistörler arasındaki çoklu köprü bağlantıları; transistörler ve kapasitörler.
- Bir dizi yatay MIM (metal-izolasyon-mental) kondansatör
NAND Gibi Gelişebilir
Öncü şirketlerin çalışmalarıyla birlikte NAND ölçeklendirmesi şu anda 236 katmana kadar ilerledi. Üstelik Samsung, 2024 yılında 300 katmanlı NAND bellek üretimine başlamayı planlıyor. 3D DRAM tasarımı ise henüz yolun başında bile değil, emekleme aşamasında. Aslında sadece bir taslaktan ibaret. Lam Research tarafından ele alınan tasarımda ilk neslin yalnızca 28 istiflenmiş katmandan oluşabileceği tahmin ediliyor. Ancak bu konunun üzerine düşülürse mimari iyileştirmeler ve ek katmanlarla DRAM yoğunluğunda ciddi sıçramalar yapılabileceği belirtilmiş. Diğer üretim teknolojilerinde gördüğümüz gibi, bir via dizisinin (TSMC TSV’nin temelini oluşturan bağlantı teknolojisi) kullanımı daha sonra tek tek katmanları birbirine bağlamak için kullanılabilir.
Kötü kısma gelince, ihtiyaç duyulan unsurları güvenilir bir şekilde üretebilecek mevcut üretim ekipmanları mevcut değil. Şirket, DRAM tasarımının bugünün kanayan bir yarası olduğunu, araçların ve süreçlerin iyileştirilmesinin ve yeniden tasarlanmasının yaygın bir gereksinim olduğunu vurguluyor. Sonuç olarak halen hiçbir şey için geç kalınmış değil, yakın gelecekte gerekli araçlar için adımlar atılabilir.
3D X-DRAM Teknolojisi
Bu konunun üzerinde duran farklı şirketler de var. San Jose merkezli NEO Semiconductor, bu yıl içinde 3D X-DRAM teknolojisini detaylandırmıştı. Patentli DRAM teknolojisi, “DRAM’in kapasite bazlı darboğaz sorunlarını çözmek ve tüm 2D DRAM pazarının yerini almak” üzere geliştirildi.
Şirketin yol haritalarına göre, DRAM’de 3D NAND benzeri DRAM hücre dizilerinin uygulanması 2030 yılına kadar 1 Tb belleklerin üretimini mümkün kılacak. 1 Tb (1 terabit) entegre devreler sayesinde tek bir RAM ile 2 TB gibi büyük kapasiteler sunulabilecek. Eğer 32 ayrı yonga kullanılırsa 4 TB da mümkün olabilir.
Oyuncuların çoğu halen 8 GB veya 16 GB belleklerle hayatına devam ediyor. Açıkçası 3D X-DRAM daha çok sunucular için. Mevcut DDR4 bellek teknolojisiyle 32 adet 32 Gb çip kullanıldığında sunucular için DIMM başına 128 GB’a kapasite sağlanabiliyor. DDR5 DIMM’ler ise şu anda 64 GB’a (32 adet 16Gb IC) kadar çıkabiliyor. Ancak ufukta çok daha yüksek kapasiteli bellekler var.
NEO Semiconductor, 3D NAND teknolojilerinden (SSD’lerde kullanılan) ilham alarak 3D X-DRAM teknolojisini geliştirdi. Kapasite artırmak üzere kullanılan USP için “dünyanın ilk 3D NAND benzeri DRAM hücre dizisi” olduğu iddia edilen bir çözüm benimsendi.
Yeni DRAM bellek yongaları 3D NAND benzeri bir DRAM hücre dizisi kullanacak, ancak yapının kapasitörsüz yüzer gövde hücre teknolojisine dayandığı belirtiliyor. Şirket bu değişikliğin “işlem adımlarını basitleştirdiğini ve yüksek hızlı, yüksek yoğunluklu, düşük maliyetli ve yüksek verimli bir çözüm sağladığını” iddia ediyor.
