Mikroelektronik-Technologien an den Fingern: Moores Gesetz, Marketingbewegungen und warum Nanometer jetzt nicht mehr dasselbe sind. Teil 3

Im dritten Teil diskutiert der Autor des Originalartikels Zelenograd, das Gedächtnis und die Bedeutung der Miniaturisierung an den Fingern.

Haftungsausschluss: Es war einmal eine Zeit, in der ich Artikel über die Chipherstellung schrieb , und in der Artikelserie „Inside Look“ habe ich sogar in sie hineingeschaut, d. H. Das Thema ist für mich äußerst interessant. Natürlich möchte ich, dass der Autor des Originalartikels ihn auf Habré veröffentlicht, aber im Zusammenhang mit der Beschäftigung hat er mir erlaubt, ihn hierher zu übertragen. Leider erlauben die Habr-Regeln kein direktes Kopieren und Einfügen, deshalb habe ich Links zu Quellen, Bildern und einem kleinen Gag hinzugefügt und versucht, den Text ein wenig zu begradigen. Ja, und ich kenne und respektiere Artikel ( 1 und 2 ) zu diesem Thema aus der Amartologie .

Zusammenfassung früherer Folgen

Was haben wir also aus dem ersten und zweiten Teil gelernt?

Bis in die frühen 2000er Jahre bestand die Hauptpriorität bei der Herstellung von Mikroschaltungen für Computer darin, die Größe von Elementen (Transistoren) zu verringern. Die Miniaturisierung ermöglichte es, mehr Transistoren pro Chip aufzunehmen, was die durchschnittlichen Kosten eines einzelnen Transistors in einer Mikroschaltung reduzierte und die Erhöhung der Taktfrequenzen sowie die Integration von mehr Funktionalität in einen Chip ermöglichte. Letzteres reduzierte die Notwendigkeit eines Zugangs nach außen zu einem langsamen externen Bus. Die Größe der Transistoren korrelierte nahezu linear mit der sogenannten technologischen Prozessnorm: Mit einer 2-fachen Abnahme der Technologie nahmen auch die linearen Abmessungen der Transistoren um das 2-fache und die Fläche um das 4-fache ab. Die physikalische Struktur der Transistoren selbst änderte sich nicht, die Größen wurden einfach reduziert.

Seit Anfang der 2000er Jahre begannen sich körperliche Einschränkungen auszuwirken. Die Größe der Transistoren hängt nicht mehr linear von der Technologie ab. Und je weniger Nanometer im technologischen Prozess deklariert wurden, desto schwächer wirkte sich dies auf die tatsächlichen Größen der Elemente aus. Jeder Schritt zur Reduzierung der Größe der Technologie geht nun mit einer Änderung der Prozessphysik einher. Zu Beginn der Miniaturisierung traten außerdem Nebenwirkungen in Form eines Anstiegs der Leckströme und eines Anstiegs des Störenergieverbrauchs auf. Dies setzte der weiteren Erhöhung der Prozessortaktraten ein Ende. In den 2000er Jahren kam es zu einer Änderung der Prioritäten. Die Hauptaufgabe der Konstrukteure bestand nun nicht darin, die Größe der Transistoren zu verringern, sondern die Leckströme zu verringern. Das Ergebnis dieser Politik war der Übergang von flachen Transistoren zu Bulk-Transistoren.

Eine der Manifestationen der Komplexität technologischer Prozesse war die Erhöhung der Kosten des Kristalls mit jeder Verringerung der Technologie. Die Kosten für die Herstellung von Chips variieren nach demselben Zeitplan - unmittelbar nach der Veröffentlichung einer neuen Prozesstechnologie ist der Preis aufgrund der geringen Ausbeute an geeigneten Mikroschaltungen sowie der Kosten für Design und Optimierung maximal. Während die Produktion getestet wird, sinkt der Selbstkostenpreis und die Ausbeute an geeigneten Chips steigt. Der Mindestpreis am Ende des Zyklus liegt vor der Einstellung. Zuvor waren beispielsweise die Kosten für eine Mikroschaltung nach dem technologischen Verfahren von 3 Mikrometern und 1,5 Mikrometern in derselben Phase des Lebenszyklus gleich. Und da die Anzahl der Transistoren in demselben Bereich um das Vierfache gestiegen ist, ist der Preis für einen Transistor um das Vierfache gesunken.



Nachdem sie unter 130 nm gefallen waren, begannen die Kosten für Chips aufgrund der Komplexität der technologischen Prozesse zu steigen. Aufgrund einer Zunahme der Dichte von Transistoren sanken jedoch die Kosten pro Transistor weiter. So dauerte es bis zur 28/32 nm Technologie. Ferner wurde jedem Schritt alles mit hohen Kosten des Chips gegeben, und die tatsächliche Größe der Transistoren wurde immer weniger verringert. Infolgedessen kostet ein Transistor auf einer Mikroschaltung mit einer Norm von 22 nm oder weniger mehr als eine Norm von 28 nm ( gesegelt! ).

Über Zelenograd

Vor allem aber interessieren sich die Menschen natürlich für die Situation mit der russischen Mikroelektronik. Leider nicht stark in Zelenograd Angelegenheiten. Ich weiß nur, dass Mikron 2014 kurz vor der Krise eine 90-nm-Technologielinie von der französischen STMicroelectronics gekauft hat. Und dann wurde es alleine auf die Standards der 65-nm-Prozesstechnologie aufgerüstet. Ich denke, die Franzosen haben es nicht wirklich gemocht. Der Übergang zu 65 nm wurde Ende 2014 gemeldet. Periodisch produzierte experimentelle Chargen darauf. Ich weiß nicht, ob sie in die Serie aufgenommen wurden ( Hinweis: Es scheint ja zu sein - zur Erinnerung ). Trotzdem gibt es in Russland halb souveräne 65 Seemeilen.

Hinweis: Über Mikron gab BarsMonster einen ausgezeichneten Text , etwas mehr hier , ein paar weitere Artikel ( 1 und 2 ) zum Thema Amartologie .

Das Hauptproblem ist, dass 65 nm nicht sehr beliebt waren. Für die Hauptproduktion von Micron reichen 90 nm und 180 nm und sogar - oh, Horror! - vollständig souverän 250 nm. Einige Verteidigungsmikroschaltungen werden immer noch mit Technologien von 3 bis 5 Mikrometern hergestellt ( Hinweis: Insbesondere für den Weltraum, wo Zuverlässigkeit wichtig ist, nicht Geschwindigkeit). Je größer die Transistoren sind, desto höher ist einfach die Störfestigkeit und Strahlung ( UPD: Artikel über den Strahlungswiderstand von Schaltkreisen mit einer anderen Meinung). Eine extrem große Rechenleistung für Spezialchips wird in der Regel nicht benötigt.

Andererseits ist es rentabler, die Produktion moderner Prozessoren in Taiwan und China nach 28-nm- oder niedrigeren Technologien zu bestellen ( Anmerkung: und wieder begrüßen wir den Baikal ). In diesem Fall ist die Entwicklung von Architektur und Topologie vollständig russisch, aber die Herstellung von Kristallen erfolgt in taiwanesischen Fabriken. Vielen ist es peinlich, dass sie sagen, dass dies nicht ganz unsere Prozessoren sind. Zur Beruhigung können wir sagen, dass sich fast alle Staats- und Regierungschefs der Welt in derselben Situation befinden. Die eigene Halbleiterproduktion blieb nur bei Intel. Marken wie AMD, Apple, NVidia, Qualcomm, IBM und andere werden in TSMC- oder Samsung-Werken hergestellt. Daher brachte AMD 2009 seine Produktion zu einem separaten Unternehmen GlobalFoundries, das von den Arabern gekauft wurde. Sie beherrschten nicht die neuesten technologischen Standards und weigerten sich, an der Entwicklung des technischen 7-nm-Prozesses teilzunehmen, der sich auf die "ausgereifteren" technischen Prozesse konzentrierte. Jetzt befinden sie sich in einem Zustand vor dem Bankrott, der für etwa 2024 geplant ist , und die Ingenieure sind bereit , IBM zu sich zu nehmen .

Ende 2018 bestätigten sie in Mikron ihre Pläne, eine eigene 28-nm-Produktion in Zelenograd zu schaffen. Sie planen, die Produktion bereits im Jahr 2022 in einer neuen Fabrik einzusetzen, die von Grund auf neu gebaut wurde. Die Realität der Fristen ist sehr zweifelhaft, obwohl es natürlich schön wäre. 28 nm ist bereits eine andere Produktions- und Designebene, sodass Sie mit der Produktion grundlegend neuer Produkte beginnen können. Aber mehr dazu weiter unten.

Im Allgemeinen ist die Situation in der russischen Mikroelektronik nicht so schlecht, wie es scheinen mag. Angesichts der Tatsache, dass vor 12 Jahren der „dünnste“ Herstellungsprozess des Landes 800 nm betrug, sieht selbst der derzeitige rein russische 250 nm nicht so schlecht aus. Es gibt Gerüchte, dass sie die Technologie des „gestreckten Siliziums“ beherrschten, von 150-mm-Platten auf 200-mm-Platten umstellten und die Produktion ihrer eigenen Fotomasken aufbauten. Das Hauptproblem wird weiterhin eine unzureichende Nachfrage und ein unzureichender Wettbewerb mit den Importen sein, was es in keiner Weise ermöglicht, eine Rentabilität von mindestens Null zu erreichen.

Es werden Versuche unternommen, einen Durchbruch zu meistern. Zum Beispiel Photolithographie im tiefen Ultraviolett (EUV-Lithographie).

In diesem Sinne ist die Geschichte mit der niederländischen Firma „Mapper Lithography“ interessant ( BarsMonster schrieb darüber sowie einen Artikel von CorneliusAgrippa ). Das Unternehmen hat sich auf Geräte und Systeme für die Mehrweg-Elektronenlithographie (MEL) spezialisiert.

Die elektronische Lithographie ermöglicht es Ihnen, mit Auflösungen in Bruchteilen von nm zu arbeiten, ist jedoch sehr energieintensiv und langsam. Verwenden Sie damit Fotomasken für die optische Lithografie. In der Regel wird ein Elektronenstrahl verwendet, der den gesamten Bereich bestrahlt. Die Verwendung von MEL würde den Prozess erheblich beschleunigen, obwohl der Stromverbrauch der Installation erheblich gestiegen ist.

Die Niederländer versuchten, MEL in die Massenproduktion zu bringen. Zumindest für kleine Mikroschaltungen, bei denen sich die Erstellung eines Satzes von Fotomasken nicht auszahlt. Das heißt, wo es billiger ist, das Muster direkt auf Silizium aufzutragen, als einen Satz von Masken herzustellen und dann Mikroschaltungen unter Verwendung optischer Lithographie zu stempeln. Und hier fand Mapper Gleichgesinnte in der Person von RosNano. 2012 schlossen sie einen Vertrag über den Bau von Fabriken in Moskau und St. Petersburg. Das Werk in Moskau wurde 2014 eröffnet und begann im selben Jahr mit der Produktion elektronischer Objektive.

Es gibt noch keine Frage der Rentabilität, aber die Technologien selbst sind und entwickeln sich. Unter Berücksichtigung des Preisanstiegs bei Fotolithografieverfahren kann MEL zeitlich den Kosten entsprechen. Leider haben die Investitionen von RosNano Mapper Lithography selbst nicht gerettet. Das Unternehmen wurde von der niederländischen ASML , dem weltweit größten Hersteller von Fotomasken und Fotolithografiesystemen, gekauft. Die MEL-Niederlassung wurde geschlossen, Mapper-Mitarbeiter wurden in andere Richtungen gedrängt ( Hinweis: Da es in der EUV solche Begleiter gibt, dass Goliath zwei nicht ausstehen kann). Derzeit gibt es weltweit nur zwei Spieler, die MEL weiterentwickeln - American Multibeam und RusNano.

Wo werden kleine Nanometer benötigt?

Betrachten Sie den größten Auftragshersteller für Mikroelektronik - die taiwanesische TSMC. Hier ist der Bericht für das 2. Quartal 2018:



Wie Sie sehen, machen die heikelsten Prozesse nur 38% des Umsatzes des Unternehmens aus, und 19% machen 90 nm oder mehr aus. Das deutsche X-FAB beispielsweise verwendet im Allgemeinen Technologien von nur 130 nm und höher und leidet nicht darunter.

Betrachten Sie die Hauptbereiche der modernen Elektronik:

1. Leistungselektronik Hier sind subtile Prozesse nicht nur unnötig, sondern sogar unmöglich. Da sie nur bei Spannungen im Bereich von 1 V arbeiten. Für die Leistungselektronik sind andere Verunreinigungskonzentrationen und vertikale Schichtgrößen erforderlich. Das Konzept einer Prozessnorm hat eine andere Bedeutung. Sie wird nicht auf der kleinstmöglichen technologischen Basis berechnet, sondern ergibt sich aus Betriebsspannungen und Stromdichte. Die Abmessungen der Leistungselemente werden anhand der Spitzenstromstärke berechnet.
   Hinweis: Als ich im ABB-Werk in der glorreichen Stadt Lenzburg war, war ich angenehm erstaunt darüber, wie breit die Produktpalette ist und wie sie Fehleranalysen von defekten Stromrichtern durchführen.
2. Industrieelektronik. Dies sind verschiedene industrielle Mikrocontroller und mechanische Steuerungssysteme. In der Regel arbeiten sie mit Spannungen zwischen mehreren Volt und mehreren zehn Volt. Arbeitstechnologien gibt es meist ab 130 nm. Industrieelektronik benötigt nicht Milliarden von Transistoren und Hunderte von MB Cache In der Regel wird eine begrenzte Anzahl von Operationen ausgeführt. Mikrocontroller sind spezialisierter als Mikroprozessoren für Computersysteme. Ein Teil des Codes und der Anweisungen dort wird in der Herstellungsphase in den Kristall selbst „verdrahtet“ und nicht programmgesteuert geladen. Dank dessen arbeiten sie im nativen Betrieb schneller. Das Wichtigste dabei ist die Zuverlässigkeit.
3. Militär-, Weltraum- und strahlungsbeständige Elektronik. Hier beginnt die Technologie bei 250 nm. Weniger ist einfach unmöglich, weil Mit abnehmender Größe der Transistoren nimmt die Anzahl der Fehler aufgrund von Strahlungs- und Interferenzeffekten stark zu. Neben der Industrieelektronik handelt es sich in der Regel um spezialisierte Mikroschaltungen mit geringeren Leistungsanforderungen.
4. Unterhaltungs- und Automobilelektronik. Analoge, Analog-Digital-Schaltungen und Digital-Analog-Mikroschaltungen. Der Trend hier ist die Kombination aller Funktionen (sowohl digital als auch analog) in einem Kristall. Neben Leistungstransistoren natürlich. Zum Beispiel Single-Chip-Fernseher. Das Problem hierbei ist, dass in der Regel nur wenige Transistoren benötigt werden. Für die normale Funktion des Geräts reichen Zehntausende von Transistoren für die Augen aus. Bei Technologien, die kleiner als ein Mikrometer sind, beträgt die gesamte Fläche, die sie einnehmen, einen Bruchteil eines Quadratmillimeters. Oft nehmen Kontaktflächen für Schlussfolgerungen mehr Platz ein als die Logik selbst. Deshalb versuchen sie, alles Mögliche in solche Mikroschaltungen zu schieben - eine elektronische Uhr mit Wecker, Funkempfänger und andere Nebenfunktionen in den Chip der Waschmaschine. Die Kosten sind fast gleich. In einer solchen Situation macht es keinen Sinn, sich mit kleinen Nanometern zu beschäftigen. Darüber hinaus gibt es Einschränkungen aufgrund des Vorhandenseins von analogen Bipolartransistoren und wahrnehmbaren Betriebsströmen. Es macht keinen Sinn, auch im digitalen Teil weniger als 90 nm zu verwenden ( UPD: Amartology 28 nm CMOS für ADC und DAC ). Die Situation kann sich mit der Verbreitung des Internet der Dinge (IoT) ändern.
5. RFID-Tags. Dies sind Chips für verschiedene Karten, elektronische Schlüssel, Produktetiketten. Sie bestehen aus einer kleinen Mikroschaltung und einer Filmantenne. Die Mikroschaltung besteht aus einem umprogrammierbaren Speicher, der auf CMOS und einer induzierten Leistungssteuerung auf Bipolartransistoren basiert. Die Größe des Kristalls beträgt weniger als 1 mm ² . Die Anzahl der Transistoren ist normalerweise gering, es gibt keine konstante Leistung. Daher sind die Anforderungen an die Billigkeit eines Transistors und den Stromverbrauch nicht relevant. Hauptsache ist die Speicherdauer des Speicherwertes im passiven Modus. Wie ich bereits schrieb, steigen bei Raten unter 130 nm die Leckströme an, und dementsprechend kann in Zellen der Wert verloren gehen. Technologische Prozesse unter 90 nm sind nicht nur nicht relevant, sondern auch schädlich.
   Hinweis: Die RFID-Analyse ist da und bald wird es etwas mehr Hickporn geben.
6. Computertechnik. Prozessoren, Speicher, Controller. Wertmäßig ist dies der Löwenanteil des modernen Elektronikmarktes. Hier ist die Regel: Je mehr Transistoren im Chip, desto besser. Im Gegensatz zu spezialisierten Steuerungen wird der gesamte Befehls- und Befehlssatz programmgesteuert geladen. Daher die hohen Leistungsanforderungen - der Preis für Vielseitigkeit.

Russische Unternehmen können ( Anmerkung: mit Vorbehalten und Übertreibungen) die ersten 5 Gruppen von Mikroschaltungen mit Ausnahme des IoT herstellen. Zwar sind sie in Bezug auf den Marktumsatz in Geld der 6. Gruppe insgesamt weit unterlegen.

Die Bedeutung der Miniaturisierung

Einige waren interessiert: Warum ist es so wichtig, das Maximum an Transistoren pro Flächeneinheit zu erhöhen? Was macht es schwierig, nur einen größeren Kristall oder 2 Kristalle anstelle von einem herzustellen?

Für die Computertechnologie ist dies sehr wichtig. Bei modernen Frequenzen gibt es eine physikalische Begrenzung der Größe des Kristalls. Dies ist die Lichtgeschwindigkeit, es ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines elektrischen Signals. Die Geschwindigkeit beträgt nur 300 Millionen Meter pro Sekunde ( ungefähr: Dies gilt für Vakuum und ist aufgrund der Ausbreitung im Medium um die Dielektrizitätskonstante etwas geringer). In einem Prozessor mit einer Taktfrequenz von 3 GHz läuft ein elektrisches Signal 10 cm pro Zyklus. Darüber hinaus müssen nicht nur Transistoren ihren Zustand pro Zyklus ändern, sondern alle Transienten müssen auch standhalten können. Dazu benötigen Sie mindestens 3-mal einen Bestand. Das heißt, Der am weitesten entfernte Transistor im Kristall sollte nicht weiter als 3 cm vom Taktgenerator entfernt sein. Der Generator befindet sich in der Mitte des Chips. Dies bedeutet, dass der gesamte Stromkreis in einen Kreis mit einem Radius von 3 cm von der Mitte des Chips passen sollte (Sie können dies auf Ihrem PC überprüfen;)). Für einen quadratischen Kristall erhalten wir eine maximale Größe von 4 x 4 cm. Je höher die Frequenz, desto kleiner die Grenzgrößen.

Kühlkörper Je größer der Kristall ist, desto schwieriger ist es, Wärme aus der Mitte abzuleiten. Und das ist voll.

Je kleiner die linearen Abmessungen der Transistoren sind, desto kleiner ist die Streukapazität und desto schneller sind die Transienten. Dementsprechend höhere Geschwindigkeit und geringerer Ladestrom.

Warum ist beispielsweise ein Prozessor mit 4 Millionen Transistoren besser als 4 Prozessoren mit jeweils 1 Million Transistoren? Für den Anfang die Frage des Preises. Ein Kristall mit 4 Millionen Transistoren kostet etwas mehr als ein Kristall mit 1 Million Transistoren. Da sie in einem einzigen technischen Prozess erstellt werden. Neben dem Chip besteht die Mikroschaltung auch aus einem Gehäuse und Goldstiften aus einem Kristall. Und Gold ist kein billiges Metall. Herkömmlicherweise werden für eine 1-millionste Mikroschaltung 300 Kontakte benötigt (1200 für 4-Mikroschaltungen), für eine 4-millionste - 308. Der Vorteil liegt auf der Hand.

Dann interagieren 4 Mikroschaltungen über einen externen Bus miteinander und sind um ein Vielfaches langsamer als die Taktfrequenz des Prozessors selbst (siehe Abschnitt zur Lichtgeschwindigkeit). Hinweis: Ja, es gibt eine Lösung von AMD mit Infinity Fabric , dies ist jedoch ein separates Problem. Es stellt sich heraus, dass 4 Prozessoren nur im isolierten Aufgabenmodus arbeiten können. Während 4 Kerne in einem einzelnen Chip als Cluster arbeiten können, können Aufgaben schnell verteilt und mit der Prozessortaktrate ausgetauscht werden.

Daher der Wunsch, Transistoren so klein wie möglich zu machen und alles, was rational gerechtfertigt werden kann, in den Kristall zu stopfen.

Perspektiven

Es stellt sich heraus, dass mit den ersten fünf Gruppen der Mikroelektronik in Russland nicht alles so schlecht ist. Probleme mit Rentabilität und Preis, aber technologische Möglichkeiten bestehen. Computing ist schwieriger. Sie können natürlich Baikal oder Elbrus mit 65-nm-Technologie herstellen. Dies ist die Ära von Intel Pentium 4 ( pichal! ). Aber nur bei solch spärlichen Serien sind die Kosten unerschwinglich. Oder verkaufen Sie optional unter den Anschaffungskosten auf Kosten des Budgets. Und die Feige? Bis sie die Gelegenheit vertuscht haben, ist es einfacher und billiger, in Taiwan zu produzieren (was tatsächlich getan wird).

Mit Zugang zur Weltebene und großen Serien scheint es hoffnungslose Dunkelheit. Aber hier erschien ein Lichtstrahl. Es ist mit dem Aufkommen neuer Arten von elektronischem Speicher verbunden. Um zu erklären, warum Optimismus verbunden ist, müssen Sie etwas auf die technischen Details eingehen.

Die Haupttypen des elektronischen Speichers

Statischer RAM oder SRAM .
Tatsächlich ist dies eine Transistorschaltung für Feldeffekttransistoren von beliebigen Transistoren, MOSFET, JFET, BJT, HEMT. Lang bekannte logische Auslöser.



Eine Speicherzelle mit sechs Transistoren ist Standard. Es gibt zwar 8- und 10-Transistoren.



Dank der Kreuzrückkopplung im Inneren speichert es seinen Zustand auch ohne Signal am Eingang. Während es natürlich Essen gibt. Die gleichen MOS-Transistoren werden verwendet, sie verbrauchen nur den Schaltstrom, wenn sich die Werte ändern. In einem statischen Zustand wird nur der Streustrickstrom verbraucht.

Vorteile - hohe Lese- und Schreibgeschwindigkeit (auf Taktfrequenz), geringer Stromverbrauch, klare Wertspeicherung, Standardtechnologie
Nachteile - Volatilität, großer Platzbedarf auf dem Chip.

Wird normalerweise als integrierter Prozessor-Cache verwendet. Es werden auch separate SRAM-Chips hergestellt, aber jetzt ist es exotischer.

Dynamischer Direktzugriffsspeicher oder DRAM .
Die dynamische Speicherzelle ist ein leicht modifizierter CMOS-Transistor:



Der Unterschied zum Standard-MOS-Transistor besteht darin, dass der Kontakt zum Drain nicht mit dem Bus verbunden ist, sondern in einen kleinen flachen Dünnschichtkondensator Metall - Dielektrikum - Silizium umgewandelt wird. Wenn der Kondensator geladen ist - logische "1", nicht geladen - logische "0". Das gesamte Zellenmanagement wird von der Steuerschaltung - der Steuerung - durchgeführt. Die Speicherzellen werden zu Zeilen und Spalten zusammengefasst und bilden eine flache Matrix. Zeilen werden durch Tore, Spalten durch Quellen kombiniert.

Während der Aufnahme wird Spannung an den Verschluss angelegt, der Transistor öffnet. Wenn zu diesem Zeitpunkt die Quelle von der Steuerung mit Spannung versorgt wird, erscheint Strom und der Kondensator lädt sich auf. Keine Spannung, kein Laden. Die Aufnahme erfolgt gleichzeitig auf der gesamten Leitung.

Das Lesen ist ähnlich, nur der Controller befindet sich im Lesemodus. Die Spannung wird an die Tore angelegt. Wenn der Kondensator geladen wurde, fließt Strom (logisch 1), wenn nicht geladen, gibt es keinen Strom (logisch 0). Die gesamte Zeile wird ebenfalls sofort gelesen. Nach dem Lesen werden die Kondensatoren entladen, alle Zellen werden auf 0 gesetzt. Basierend auf den empfangenen Daten schreibt die Steuerung die Leitung neu.

Tatsächlich finden Lesen und Schreiben auch ohne Aktivität ständig statt. Tatsache ist, dass die Kapazität des Kondensators sehr klein ist und sich innerhalb von Millisekunden oder einigen zehn ms schnell entlädt. Daher ist der Hintergrund eine kontinuierliche Regeneration (Lesen und Umschreiben von Zeilen). Sobald die Regeneration innerhalb von Hundertstelsekunden stoppt, werden die Daten in allen Zellen zurückgesetzt.

Die Vorteile des dynamischen Speichers sind die Kompaktheit.
Nachteile - geringere Geschwindigkeit, hoher Stromverbrauch, Komplexität der Steuerung, Energieabhängigkeit.

Trotz aller Mängel sind jetzt alle RAM-Module vom Typ DRAM. Außer selten exotisch. Die Kompaktheit überwältigte alles.

Umprogrammierbarer Speicher, Flash-Speicher und EEPROM .
Es basiert auf Feldeffekttransistoren mit Floating Gate:



Unter dem Control Gate befindet sich ein weiteres, an nichts angeschlossenes und allseitig von einem Dielektrikum umgebenes „Floating Gate“. Die Ladung tritt in das Floating Gate ein und beeinflusst die Bildung des Kanals. Ladungen vom schwebenden Verschluss können nirgendwo hingehen, sodass die Zelle ihren Wert auch bei ausgeschaltetem Gerät beibehält. Abhängig von der Verschlechterung des umgebenden Dielektrikums kann die Ladung mehrere Monate bis mehrere zehn Jahre gespeichert werden.


Im einfachsten Fall, um eine Einheit zu erhalten, können Sie eine positive Ladung ansteuern, dann ist der Transistor die ganze Zeit geöffnet. Im wirklichen Leben wird eine negative Ladung verwendet, die den Kanal noch mehr „sperrt“.

Wie liest man? Eine positive Spannung wird an das Steuergatter direkt oberhalb der Schwelle angelegt. Wenn das Floating Gate entladen wird, wird in der Basis ein Kanal gebildet und der Transistor öffnet - logisch „1“. Wenn es geladen ist, kompensiert es die Spannung des Steuergates und der Kanal wird nicht gebildet. Der Transistor ist geschlossen, eine logische "0".

Lesen ist einfach. Das Hauptproblem ist die Aufnahme. Die Ladung muss in einen isolierten Verschluss gefahren oder entfernt werden. Zu verschiedenen Zeiten verwendeten sie ultraviolette Bestrahlung, Lawinenabbau, Injektion energiereicher Elektronen und Tunnelabbau.

Bei einem Lawinenzusammenbruch ist das klar. Sie geben eine hohe Spannung ab, sie durchbricht das Dielektrikum und lädt das Floating Gate auf. Störung in die andere Richtung entladen. Aber Lawinenzusammenbruch ist so etwas, es ist wie ein elektrischer Schlag für eine Person. Töten wird nicht töten, aber nach dem 10. Mal kann die Gesundheit erschüttert werden. Daher war die Anzahl der Umschreibzyklen begrenzt.

Während der Injektion von Elektronen tritt kein Durchschlag auf, einfach unter dem Einfluss von Spannung brechen Elektronen mit einem hohen Energieniveau durch das Oxid und fallen in das Floating Gate (oder von diesem). Die Nachteile des Verfahrens sind die Dauer des Überspielens und die Hochspannung.

Mit der Ausdünnung der dielektrischen Schichten auf 1 nm wurde es möglich, ein schwebendes Gate unter Verwendung des Tunneleffekts zu laden und zu entladen. Durch das elektrische Feld verschieben wir die Energiestruktur der Wörter so, dass sich gegenüber dem Verschluss entweder mit Elektronen gefüllte oder freie Ebenen befinden. Dann tunneln die Elektronen entweder dort oder zurück. Dank dessen hat die Anzahl der Umschreibungszyklen Tausende oder Zehntausende erreicht. Abhängig vom Material und der Qualität des Dielektrikums.

Vorteile - Energieunabhängigkeit, Kompaktheit, anständige Lesegeschwindigkeit.
Nachteile - lange Aufnahmezeit, hohe Aufnahmespannung, Verschlechterung während der Arbeit.

Wird in SSD-Geräten und RFID-Tags verwendet.

Hinweis: Übrigens wurde das Flash-Laufwerk damals auch für Experimente gesägt ...

Magnetoresistives Gedächtnis, MRAM .
Eine neue Art von Speicher. Das Funktionsprinzip ähnelt dem DRAM, jedoch wird anstelle eines elektrischen Kondensators eine magnetoresistive Zelle verwendet. Eine magnetoresistive Zelle ist eine Struktur, deren elektrischer Widerstand von der Richtung der magnetischen Domänen abhängt.

Es besteht aus 2 Schichten eines Ferromagneten, zwischen denen sich ein dünner (ca. 1 nm) dielektrischer Film befindet. Die erste Schicht ist ein Ferromagnet mit konstanter Magnetisierung, die zweite mit einer Variablen, die sogenannte freie Schicht. Wenn sich die Domänen der ersten und zweiten Schicht in derselben Richtung befinden, können die Elektronen aktiv durch den dielektrischen hohen Tunnelstrom tunneln. Wenn die Domänen entgegengesetzt ausgerichtet sind, ist der Tunnelstrom um Größenordnungen schwächer.

Schematisch kann eine magnetoresistive Zelle als Widerstand mit zwei Widerstandswerten dargestellt werden - hoch und niedrig. Die freie Schicht speichert den Magnetisierungsvektor unbegrenzt und ohne externe Energie. Das heißt, diese Art von Speicherenergie nicht davon abhängen.



Beim Lesen ist alles einfach: Wir legen Spannung an das Gate des Transistors an und ein Magnetowiderstand beginnt, durch dieses zu fließen. Wenn der Widerstand des Manitoresisten hoch ist, dann ein schwacher Strom, wenn niedrig, dann ein starker Strom. Durch die Größe des Stroms wird eine logische "0" oder "1" bestimmt.



Probleme mit der Aufnahme erneut. Es werden Dutzende von Methoden entwickelt, von denen jede ihre eigene Abkürzung hat.

Das Umschreiben der freien Schicht erfolgte zunächst durch einen starken Strom. Dies ist jedoch ein hoher Stromverbrauch bei der Aufnahme. Außerdem kann in diesem Fall die Zelle nicht kleiner als Hunderte von nm gemacht werden, da sonst auch benachbarte Zellen wieder aufgeladen werden. Diese Art von Speicherchip hat eine maximale Kapazität von 16 MB.

Daher werden andere Methoden entwickelt - durch lokale thermische Erwärmung, schrittweise unter Verwendung von Antiferromagneten, durch Spinstrom. Die letztere Option scheint nun die vielversprechendste zu sein. Die Physik dort ist komplex und wird zur Quantenmechanik. Vergessen wir daher aus Gründen der Klarheit.

Ein weiterer Vorteil von MRAM besteht darin, dass magnetoresistive Zellen keine Entfremdung des Raums auf dem Chip erfordern. Sie befinden sich oberhalb der CMOS-Struktur. Das heißt,Zuerst bilden wir alle CMOS-Schichten, die ersten Metallisierungsschichten, alles ist mit Oxid bedeckt. Dann auf die feste erste Schicht eines Ferromagneten. Wir korrodieren den Überschuss, dann das gleiche mit der dielektrischen Schicht und dem zweiten Ferromagneten. Es stellt sich eine sehr kompakte Struktur heraus.

Das magnetoresistive Gedächtnis gilt heute als das vielversprechendste. Einige behaupten sogar, dass mit seiner Einführung in die Serie die Trennung des Gedächtnisses in betriebliche und dauerhafte vollständig verschwinden wird. Es wird nur eine Erinnerung sein. Insbesondere muss das Betriebssystem nicht geladen werden, es funktioniert sofort aus dem Speicher, wenn die Stromversorgung eingeschaltet wird. Wie TR-DOS auf Sinclair in guten alten Zeiten. Dort arbeitete der OS-Kernel vom ROM aus.

Welchen Platz nimmt Russland hier ein? Bei der Entwicklung von MRAM stehen unsere, obwohl nicht führend, an vorderster Front. Wie auch immer, tschüss. Es gibt so eine russische Firma "Crocus Nanoelectronics ”, die sich mit STT-MRAM-Speicher befasst, d.h. MRAM-Spin-Transfer ( mehr ).

Dies gibt unseren Herstellern die Möglichkeit, in den globalen Markt für Computerchip-Hersteller einzudringen. Das Fenster ist nicht sehr groß, aber es ist. Benötigen Sie freien Willen, Geld und unsere eigene 28-nm-Prozesstechnologie.

Fazit

Ich glaube, dass eines unserer Hauptprobleme die Mentalität ist. Dies ist eine Angewohnheit, in Emotionen zu verfallen, aufzugeben und sich selbst zu geißeln. Anstatt methodisch und zielgerichtet zu arbeiten. In der Mikroelektronik ist dies besonders akut. Sie müssen sich nur an das alte russische Sprichwort erinnern: Augen haben Angst und Hände tun es.

Weltmarktführer ruhten in physischen Einschränkungen, die Branche bewegt sich von einem schnellen Wachstum zu einer langsamen Entwicklung. Durchbrüche wie Quantenprozessoren stehen noch am Horizont. Näher als Teleportation, aber höchstwahrscheinlich nicht in unserem Leben. In den nächsten 20 Jahren kann sich unter den Akteuren auf dem Gebiet der Mikroelektronik die Zusammensetzung der Führungskräfte radikal ändern. Die Hauptsache hier ist, nicht auf den Schnabel zu klicken.

Teil 1 und Teil 2 .

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