應(yīng)用材料公司：以材料工程為基石加快新型存儲(chǔ)器技術(shù)，助力物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能，在某種程度上已經(jīng)是現(xiàn)代科技的有力代名詞。2019年7月25日應(yīng)用材料公司的新產(chǎn)品說明會(huì)上，應(yīng)用材料公司半導(dǎo)體中國區(qū)事業(yè)部總經(jīng)理、首席技術(shù)官趙甘鳴博士及應(yīng)用材料公司金屬沉積產(chǎn)品全球產(chǎn)品經(jīng)理周春明博士為《電子產(chǎn)品世界》記者介紹了應(yīng)用材料公司新型芯片制造系統(tǒng)。新系統(tǒng)以原子級的精度沉積新型材料，從而解決生產(chǎn)以MRAM、ReRAM和PCRAM為代表的新型存儲(chǔ)器的核心難題，加速面向物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和云計(jì)算的工業(yè)應(yīng)用進(jìn)程。

　　應(yīng)用材料公司金屬沉積產(chǎn)品全球產(chǎn)品經(jīng)理 周春明博士（左）

　　應(yīng)用材料公司半導(dǎo)體中國區(qū)事業(yè)部總經(jīng)理、首席技術(shù)官 趙甘鳴博士(右)

“摩爾定律”準(zhǔn)確定義：性能÷功率÷（面積x成本）

眾所周知，“摩爾定律”持續(xù)推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展。然而在過去幾年，技術(shù)節(jié)點(diǎn)的提升卻在逐漸的減緩，目前整體趨勢已經(jīng)越來越逼近極限。現(xiàn)階段從14納米到10納米，需要近四年的時(shí)間，從10納米到7納米、5納米，時(shí)間之長投入之大更是不言而喻。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)是成本越來越高、時(shí)間越來越長，實(shí)現(xiàn)的性能提高的幾率越來越小。所以在物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0、人工智能時(shí)代，目前的計(jì)算架構(gòu)已經(jīng)無法滿足未來發(fā)展的需求。

　?。▓D片來源：應(yīng)用材料公司）

我們所認(rèn)知的“摩爾定律”指的是，集成電路上可容納的晶體管的數(shù)量，約每隔18~24個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。然而在目前狀態(tài)下，在實(shí)現(xiàn)上不僅僅依靠算力、晶體管數(shù)，其決定性的關(guān)鍵參數(shù)也更加精密復(fù)雜。

“摩爾定律”現(xiàn)在準(zhǔn)確的定義是：性能÷功率÷（面積x成本），通過公式計(jì)算后得出的結(jié)果如果在兩倍的節(jié)點(diǎn)上，這就是節(jié)點(diǎn)、制程的躍進(jìn)。目前實(shí)現(xiàn)延續(xù)“摩爾定律”主要依靠的是新架構(gòu)、新材料或利用加速器提高算力的方式。

目前，應(yīng)用材料公司已經(jīng)做到了顯著提高晶體管的性能。應(yīng)用材料公司目前致力于在材料工程的基礎(chǔ)上解決關(guān)鍵技術(shù)問題、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品需求。

新型存儲(chǔ)器助力物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算

新型的存儲(chǔ)器包括MRAM、ReRAM、PCRAM，和傳統(tǒng)存儲(chǔ)器相比，后者具有許多獨(dú)特的功能和優(yōu)勢。新型存儲(chǔ)器與傳統(tǒng)存儲(chǔ)器結(jié)合優(yōu)勢在于，不僅可以利用新型存儲(chǔ)器與現(xiàn)有的構(gòu)建模塊相結(jié)合，同時(shí)新型存儲(chǔ)器也可以替未來的科技發(fā)展打下良好基礎(chǔ)。

（圖片來源：應(yīng)用材料公司）

MRAM（磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）其架構(gòu)比較簡單，它的存儲(chǔ)單元可以直接嵌入后端的互聯(lián)當(dāng)中，因此不額外占用“硅”的面積，可嵌入到邏輯的電路中，保證體積的小巧。PCRAM和ReRAM方面，PCRAM是相變隨機(jī)存取存儲(chǔ)器， ReRAM是電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。兩類存儲(chǔ)器與MRAM類似可以做嵌入式應(yīng)用，但其主要優(yōu)勢在于可以和NAND一樣實(shí)現(xiàn)3D的架構(gòu)不受限于兩維，從而增大容量、降低成本。

針對物聯(lián)網(wǎng)一般采用邊緣終端、邊緣設(shè)備。目前架構(gòu)是邏輯與SRAM之后加入閃存用來存儲(chǔ)算法、軟件、代碼。最關(guān)鍵的性能參數(shù)在功耗方面，功耗決定使用時(shí)長。

　?。▓D片來源：應(yīng)用·材料公司）

新型存儲(chǔ)器MRAM目前可以部分替代SRAM，相比之下SRAM的耗電量比較大（SRAM不工作狀態(tài)下依舊耗電、漏電），如果運(yùn)用在邊緣計(jì)算或物聯(lián)網(wǎng)方面，SRAM待機(jī)狀態(tài)下的能耗較高。閃存方面大同小異，功耗依舊是最大的顧慮。MRAM則不同，可以同時(shí)降低兩方功耗，MRAM在待機(jī)狀態(tài)不耗電（非易失性存儲(chǔ)器）。另外，其價(jià)格也要低于閃存。

應(yīng)用材料公司新型 Endura? 平臺(tái)有效助力計(jì)算行業(yè)

應(yīng)用材料公司半導(dǎo)體產(chǎn)品事業(yè)部高級副總裁兼總經(jīng)理 Prabu Raja 博士表示：“廣泛的產(chǎn)品組合為我們帶來得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，使我們能成功地將多種材料工程技術(shù)與機(jī)載計(jì)量技術(shù)相集成，打造出前所未有的新型薄膜和結(jié)構(gòu)。這些集成化平臺(tái)充分展示了新材料和 3D 架構(gòu)能夠發(fā)揮關(guān)鍵的作用，并以全新的方式幫助計(jì)算行業(yè)優(yōu)化性能、提升功率并降低成本?！?/p>

應(yīng)用材料公司的新型 Endura? Clover? MRAM PVD 平臺(tái)由 9 個(gè)特制的工藝反應(yīng)腔組成，這些反應(yīng)腔全部集成在高度真空的無塵環(huán)境下。這是業(yè)內(nèi)首個(gè)用于大規(guī)模量產(chǎn)的 300 毫米 MRAM 系統(tǒng)，其中每個(gè)反應(yīng)腔最多能夠沉積五種不同材料。MRAM 存儲(chǔ)器需要對至少 30 層的材料進(jìn)行精確沉積，其中有些層的厚度比人類的發(fā)絲還要薄 500,000 倍。即使僅有原子直徑幾分之一的工藝變化，也會(huì)極大地影響器件的性能和可靠性。Endura? Clover? MRAM PVD平臺(tái)引入了機(jī)載計(jì)量技術(shù)，能夠以亞埃級靈敏度對所產(chǎn)生的 MRAM 層的厚度進(jìn)行測量與監(jiān)控，從而確保實(shí)現(xiàn)原子級的均勻度并規(guī)避接觸外界環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。

（圖片來源：應(yīng)用材料公司）

對于PCRAM 和 ReRAM的制造，應(yīng)用材料公司專門為 PCRAM 和 ReRAM 打造的 Endura? Impulse? PVD 平臺(tái)包含九個(gè)真空工藝反應(yīng)腔，并集成了機(jī)載計(jì)量技術(shù)，能夠?qū)@些新型存儲(chǔ)器中使用的多組分材料進(jìn)行精確沉積和控制。

（圖片來源：應(yīng)用材料公司）

“能夠?qū)?ReRAM 存儲(chǔ)器中使用的新材料進(jìn)行非常均勻的沉積，是最大程度提升器件性能、可靠性和耐用性的關(guān)鍵所在。”Crossbar 公司首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人 George Minassian 表示，“與存儲(chǔ)器和邏輯領(lǐng)域的客戶開展 ReRAM 技術(shù)合作時(shí)，我們會(huì)指定使用應(yīng)用材料公司搭載機(jī)載計(jì)量技術(shù)的Endura? Impulse? PVD平臺(tái)，因?yàn)檫@款平臺(tái)在上述重要指標(biāo)上都實(shí)現(xiàn)了巨大突破?！?/p>

小結(jié)

隨著人工智能和大數(shù)據(jù)的發(fā)展，摩爾定律擴(kuò)展的趨緩，造成硬件開發(fā)和投資的復(fù)興。如MRAM、ReRAM 和PCRAM等新的存儲(chǔ)器技術(shù)興起，便是芯片與系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員都致力研究的關(guān)鍵領(lǐng)域。這些新型存儲(chǔ)器提供更多工具來增強(qiáng)近存儲(chǔ)器計(jì)算(Near Memory Compute),也是下一-階段存儲(chǔ)器內(nèi)計(jì)算(In-Memory Compute)的建構(gòu)模組。

對于提高需算效率方面，新型存儲(chǔ)器的介入不失為一大助力，新型存儲(chǔ)器所面臨的痛點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)也就是制造方面的挑戰(zhàn)。此次應(yīng)用材料公司發(fā)布的兩款Endura系統(tǒng)，配合機(jī)載計(jì)量技術(shù)得以協(xié)助新型存儲(chǔ)器的大規(guī)模量產(chǎn)成為可能。