Proposta de DRAM 3D abre caminho para um aumento de densidade

Aug 24, 2023

Empilhamento de chips para memória

Se há um produto de tecnologia em que o dimensionamento não funciona tão bem, é o DRAM. Há uma série de razões para isso, sendo a mais importante o design real das células DRAM e como ele se relaciona com a fabricação. Mas de acordo com a Lam Research, o resultado final dessas dificuldades de escala significa que os pesquisadores na área de DRAM podem estar fora de condições de aumentar a escala de densidade da DRAM daqui a cinco anos. É neste contexto que a Lam Research, uma empresa especializada em design de circuitos semicondutores, publicou uma proposta sobre como os futuros produtos DRAM podem evoluir. E esse futuro pode muito bem ser 3D, então parece que os cubos de memória não estão tão fora do reino das possibilidades. De acordo com a empresa, levaremos cerca de cinco a oito anos para sermos capazes de projetar um dispositivo DRAM 3D fabricável, deixando o mundo com um possível intervalo de três anos entre o momento em que o dimensionamento de DRAM 2D termina e o dimensionamento de DRAM 3D é iniciado. Usando seu software proprietário SEMulator3D, a Lam Research iterou em possíveis projetos de DRAM 3D. Seu foco estava em resolver desafios de escalonamento e empilhamento de camadas, encolhimento de capacitores e transistores, conectividade entre células e através de arrays (como o TSV [Through Silicon Vias] da TSMC, que já vimos em outros projetos de semicondutores 3D). Por fim, a empresa estabeleceu os requisitos do processo que permitem a fabricação do projeto proposto.

Devido à forma como as células DRAM são projetadas, não será possível simplesmente colocar componentes DRAM 2D de lado para empilhá-los uns sobre os outros. Isso acontece porque as células DRAM têm uma proporção de aspecto alta (são mais altas do que grossas). Colocá-los de lado exigiria recursos de gravação lateral (e preenchimento) que estão além de nossa capacidade atual. Mas quando você entende a arquitetura em si, pode alterá-la e adaptá-la enquanto tenta contornar as restrições do projeto. No entanto, é mais fácil falar do que fazer, e há uma razão pela qual ainda não temos DRAM 3D. Os projetos de circuitos DRAM atuais precisam essencialmente de três componentes: uma bitline (uma estrutura condutora que injeta corrente); um transistor que recebe a saída de corrente da linha de bits e serve como porta controlando se a corrente elétrica pode fluir para dentro (e preencher) o circuito; e um capacitor, onde a corrente que flui através da linha de bits e do transistor é armazenada na forma de um bit (0 ou 1). A Lam Research usou alguns "truques" de design de chip para chegar a uma arquitetura funcional. Por um lado, eles moveram a linha de bits para o lado oposto do transistor; como a linha de bits não está mais cercada pelo capacitor, isso significa que mais transistores podem ser conectados à própria linha de bits, melhorando a densidade do chip.

Para maximizar os ganhos de densidade de área, a Lam Research também aplicou algumas técnicas de fabricação de transistores de última geração. Isso inclui designs de forksheet Gate-All-Around (GAA), que a Intel parece estar explorando para tecnologias de gating de próxima geração. A arquitetura DRAM redesenhada proposta pela pesquisa de Lam pode então ser empilhada, com camadas sobre camadas do novo design de células DRAM umas sobre as outras em um processo não muito diferente do NAND. Mas embora o dimensionamento NAND esteja atualmente em torno da marca de 232 camadas, A Lam Research estima que a primeira geração de um design de DRAM 3D como o seu só aproveitaria até 28 camadas empilhadas. Com as melhorias na arquitetura e camadas adicionais, a Lam Research estima que uma melhoria de salto de dois nós na densidade DRAM pode ser alcançada – com melhorias adicionais sendo possíveis através da adição de camadas adicionais ao arranha-céu DRAM. Como vimos em outras tecnologias de fabricação, o uso de um via array (a tecnologia que sustenta o TSV da TSMC) é então usado para interconectar camadas individuais. No entanto, há um problema imediato com o design proposto pela Lam Research: não há fabricação atual ferramentas que podem fabricar com segurança os recursos necessários. A empresa é rápida em apontar que o próprio design da DRAM vive no que há de mais moderno hoje; melhorar e redesenhar ferramentas e processos é um requisito comum. E, como diz a empresa, ainda temos tempo antes de atingirmos o limite de escala da DRAM. Esperamos que as ferramentas e conhecimentos necessários cheguem dentro desse prazo.