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 Lam Researcho resultado final dessas dificuldades de escala significa que os pesquisadores na área de DRAM podem estar sem maneiras 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 proprietário SEMulador3D software, 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 por meio de arrays (como o TSV da TSMC [Through Silicon Vias], que já vimos em outros designs 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 (e preenchimento) lateral que estão além da nossa capacidade atual.
Mas quando você entende a arquitetura em si, você 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 atuais de circuitos DRAM 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 e mais 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 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, existe um problema imediato com o design proposto pela Lam Research: não existem ferramentas de fabricação atuais que possam 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.
