DFM会取代DRAM吗？

SIN2020

混合设备是两种技术的最佳结合，还是最坏结合？丰田普锐斯是一个巨大的飞跃，还是仅仅是一辆在后备箱里拖着沉重电池的小型汽油动力汽车？
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将DRAM的易失性与FLASH的块擦除周期结合起来会产生什么样的效果？直接回答这个问题让我们无所适从。如果它比DRAM快，耗电少，密度是DRAM的四倍呢？如果它比现在的DRAM更便宜呢？那你会选择用它吗？
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多亏了一家名为Unisantis的新加坡公司，让我们终于能够回答上面列出的那些问题。该公司上个月发表了一篇论文，描述了其对“动态闪存(dynamic flash memory，简称DFM)”的研究。DFM是一种混合设备，它结合了动态RAM和Flash的各方面特点，被认为是世界上最好的内存技术同时是一种改变该领域游戏规则的技术。
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' p' W, g& j/ e( {" S需要澄清的是，Unisantis尚未制造任何此类设备，它只是对其进行了模拟。该公司表示:“通过利用TCAD模拟，Unisantis已经证明了DFM与DRAM相比，具有将密度提高4倍的巨大潜力。”这看起来确实很有前景，但早期模拟经常如此（后期产品能否达到这个效果还有待观望）。不过，Unisantis的负责人是Fujio Masuoka，他在东芝任职期间发明了NAND和NOR Flash，因此该公司并不缺乏人才和经验。
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Unisantis DFM的关键部件是一种无电容存储单元。普通DRAM使用一个晶体管和一个电容器来容纳电荷，在存储单元中代表1或0。电容器会泄漏，所以必须定期充电，这就是硬件设计师所熟知的刷新周期；读取该位元也会耗尽电容，DRAM芯片设计者用一个感应放大器和一个隐藏的内部重写周期来修补电容。简而言之，DRAM是一个讨厌的东西；但它们很便宜，而在大容量存储业务中，成本高于一切。


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Unisantis去掉了电容，取而代之的是使用另一个晶体管来保存比特位。一般来说，这不是个好主意，晶体管数量翻倍意味着每个DRAM单元的面积翻倍，这不是我们想要的结果。但是Unisantis将第二个晶体管放在了第一个晶体管的下面；它们是垂直堆叠的，就像大多数NAND Flash设计一样。
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  f, ?+ ]& o3 S6 \( vUnisantis称其为环绕栅极晶体管(SGT)，一个中心的硅“支柱”形成源和漏。
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# C: H5 J8 F$ t8 s2 a该设备还是易失性的，因为记忆晶体管仍然有泄漏——只是不像电容那样严重。这意味着动态闪存仍然需要刷新，但刷新频率低于传统DRAM。该特性会降低功耗，也会略微增加存储带宽，因为用户不必为了避免刷新周期而经常暂停读/写访问。



另一方面，动态闪存是不可以位擦除的。SGT设计的一个副作用是，你可以将存储晶体管从0翻转到1，但反之则不行；要从1变为0，必须像Flash设备一样先擦除存储单元。Unisantis表示，这种擦除是在块中发生的——也像NAND Flash一样。这使得对DFM的写入不像对DRAM的写入，而更像对Flash芯片的读/擦除/写周期。报告指出，这种擦除周期将需要20-30 ns；关于是否需要损耗平衡没有特别说明。



从另一个加分点来看，Unisantis称其专利的SGM单元不需要任何外来材料或fab process。“DFM不需要在标准CMOS工艺之上添加其他材料。”


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( R2 W% g# U9 E5 o! w" i5 V该公司将ZRAM、MRAM、ReRAM、FRAM、PCM和其他内存类型视为仅仅是“新兴存储技术”，鉴于其自身研究的早期状态，这似乎有点好斗。Unisantis成立于2008年，制造了有趣的SRAM技术样品，但DFM是其在DRAM替代品领域的首次尝试。
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7 p7 f' m6 x. q& BUnisantis目前还没有制造出它的首个SGT原型样品，更不用说一个完整的DFM，但它显然对自己的模拟感到很振奋，称它已经完成了“广泛的3D过程模拟nMOS/pMOS设备和本地互连;模拟包括光刻、沉积和蚀刻过程窗口分析，外加提取电模型寄生。Unisantis正继续与合作伙伴合作，以实现完整的SGT工艺制造和认证，以及为电路设计开发紧凑型器件模型。”


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! N1 [# q; o% P! y0 R如果一切顺利，Unisantis相信它的SGT单元设计可以比现在的DRAM单元小四倍。如果这是真的，这显然将是存储行业的巨大进步。虽然它需要刷新周期和块擦除周期，但这些不是不可克服的障碍；关键还是成本。如果DFM实现了它声称的密度提高，那么它的制造成本应该比传统DRAM更低，至少在每比特的基础上是这样的。

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市场研究公司Objective Analysis的总经理Jim Handy表示，“在主流内存市场中，成本就是一切，规格排在第二位；如果DFM可以在比DRAM更小的节点上使用标准CMOS工艺制造，而不使用任何新材料，它就可以实现足够低的成本结构，尽管需要块擦除，它也可以有效地与DRAM竞争。”

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该设备还是易失性的，因为记忆晶体管仍然有泄漏——只是不像电容那样严重。这意味着动态闪存仍然需要刷新，但刷新频率低于传统DRAM。该特性会降低功耗，也会略微增加存储带宽，因为用户不必为了避免刷新周期而经常暂停读/写访问。

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SGT设计的一个副作用是，你可以将存储晶体管从0翻转到1，但反之则不行；要从1变为0，必须像Flash设备一样先擦除存储单元。Unisantis表示，这种擦除是在块中发生的——也像NAND Flash一样。这使得对DFM的写入不像对DRAM的写入，而更像对Flash芯片的读/擦除/写周期。报告指出，这种擦除周期将需要20-30 ns；关于是否需要损耗平衡没有特别说明。

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Unisantis去掉了电容，取而代之的是使用另一个晶体管来保存比特位。