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新型存儲(chǔ)器對(duì)于工藝與設(shè)備提出新的要求
全球半導(dǎo)體業(yè)正處于由之前的計(jì)算時(shí)代向大數(shù)據(jù)、人工智能（AI）和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）驅(qū)動(dòng)的過渡階段。但是要實(shí)現(xiàn)新的人工智能和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等所需的計(jì)算性能提高和能耗的降低，是業(yè)界面臨的最大的挑戰(zhàn),其中最關(guān)鍵的需求可能是提供新型的存儲(chǔ)器制造技術(shù)。
在一個(gè)題為“PCRAM/MRAM：期望/如何管理人工智能、在存儲(chǔ)器內(nèi)計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)”，由法國CEA-Leti與美國應(yīng)用材料公司聯(lián)合舉行的研討會(huì)上，代表們報(bào)告了當(dāng)前的挑戰(zhàn)、進(jìn)展和新的解決方案，其中最主要的是需要進(jìn)行更有效的計(jì)算，因?yàn)橐滥壳暗哪茉聪乃绞遣豢沙掷m(xù)的。此外，不同的應(yīng)用和市場(chǎng)細(xì)分正在推動(dòng)不同的存儲(chǔ)需求、技術(shù)和策略。而且，經(jīng)過多年的開發(fā)，工藝技術(shù)已經(jīng)準(zhǔn)備好能支持在商業(yè)應(yīng)用中使用各類新型存儲(chǔ)器。
今天工業(yè)路線圖的基本驅(qū)動(dòng)力是巨大的數(shù)據(jù)流。到2022年時(shí)，超過10 zettabytes的數(shù)據(jù)將需要處理、存儲(chǔ)和傳輸,其中大約90%是IT設(shè)備生成的數(shù)據(jù)。如此龐大的數(shù)據(jù)量反映出智能音箱、可穿戴設(shè)備、工業(yè)傳感器和自動(dòng)駕駛等更為智能化的邊緣應(yīng)用市場(chǎng)�，F(xiàn)階段看到各類數(shù)據(jù)中心的建設(shè)正在跟上。如果不加以控制，所有這些處理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪茉葱枨罂赡芟南喈?dāng)于整個(gè)國家供應(yīng)的能源。
根據(jù)業(yè)內(nèi)的說法，存儲(chǔ)器消耗的90%能量用于傳輸數(shù)據(jù)。將存儲(chǔ)器移近計(jì)算可以緩解這種情況。為了提高存儲(chǔ)器和計(jì)算的性能和降低能耗，正在研究多種策略，包括為邊緣計(jì)算和存儲(chǔ)應(yīng)用優(yōu)化的存儲(chǔ)器、新的（SoC）芯片封裝方案、使用TSV的3D封裝以及在存儲(chǔ)器內(nèi)的計(jì)算( in memory compute)，這些策略有可能使能耗減少8倍。
尚沒有一種新型的存儲(chǔ)器能夠處理產(chǎn)生如此大量數(shù)據(jù)的所有不同需求。從新型的存儲(chǔ)器來看，包括MRAM、PCRAM和RERAM正朝著滿足市場(chǎng)需求的成熟度方向邁進(jìn)。每種技術(shù)都有相應(yīng)的應(yīng)用特點(diǎn),如能滿足邊緣計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的MRAM、以及云端應(yīng)用的PCRAM等,但是它們都將提高性能和降低能耗。
美應(yīng)用材料公司正努力提供新型存儲(chǔ)器的制造技術(shù)及設(shè)備，尤其是MRAM(通過磁隧道結(jié)中自由層的磁化翻轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn))及PCRAM(相變存儲(chǔ)器)。
對(duì)于MRAM制造，主要的挑戰(zhàn)是存儲(chǔ)器堆棧的淀積，通常是采用PVD技術(shù)完成的。原子級(jí)的精密度和控制要求在30層以上的極薄層中沉積10多種不同的材料，其中一些材料的厚度只能達(dá)到幾埃。為了保持關(guān)鍵的、非常薄的磁性隧道結(jié)的完整性，需要無損傷的蝕刻和封裝技術(shù)。
與MRAM一樣，PCRAM也是由多種新的材料實(shí)現(xiàn)的，需要在PVD和蝕刻技術(shù)方面進(jìn)行創(chuàng)新。由于PCRAM是基于組份的（由三種不同元素組合而成），因此其材料往往非常復(fù)雜，厚度均勻性至關(guān)重要。制造工藝的關(guān)鍵是在材料改變晶相階段時(shí)可以進(jìn)行材料組份的調(diào)整,以及最小的損傷。工藝技術(shù)可以根據(jù)應(yīng)用情況對(duì)于它的組份進(jìn)行高保留率(High retention)、溫度、高速度或者高耐久性(high endurance)的調(diào)整。
材料堆(stack)的組份決定了存儲(chǔ)器的性能。由于使用了如此多種的復(fù)雜材料，暴露在大氣中會(huì)造成污染和損壞。它需要一種超高真空環(huán)境，因此解決方案必須將各種工藝技術(shù)與計(jì)測(cè)集成一體，以確保材料的原始完整性及控制，從而實(shí)現(xiàn)與材料相關(guān)的存儲(chǔ)器的批量生產(chǎn)。
