Китайские учёные сообщили о разработке альтернативной ячейки памяти DRAM — дешевле и лучше «классики»
Почему китайская DRAM без конденсатора — прорыв, но не панацея
Китай под санкциями — это не приговор для науки. Наоборот, учёные ищут лазейки. И иногда находят неожиданные решения. Недавно Институт микроэлектроники при Китайской академии наук (IME CAS) показал ячейку DRAM, в которой нет конденсатора. Вместо этого заряд хранится прямо в канале транзистора. Звучит странно? Давайте разбираться, что это даёт на практике.
Обычная DRAM: конденсатор как проклятие
Классическая ячейка DRAM строится по схеме «один транзистор + один конденсатор» (1T1C). Конденсатор хранит заряд (бит данных), но его трудно уменьшать. Чем тоньше техпроцесс, тем меньше ёмкость конденсатора — заряд утекает быстрее. Приходится усложнять конструкцию (глубокие канавки, high-k диэлектрики). Это дорого и ограничивает масштабирование. Плюс — каждые 64 мс нужна регенерация, иначе данные пропадут. Всё это головная боль производителей.
Китайцы предложили другой путь — избавиться от конденсатора вообще.
Что такое 2T0C и как оно работает
Ячейка 2T0C (два транзистора, ноль конденсаторов) — это два управляющих транзистора, соединённых общим каналом. Заряд (данные) хранится в этом канале, который находится между транзисторами. Верхний транзистор отвечает за запись, нижний — за чтение. Плавающий канал изолирован от подложки, поэтому заряд держится дольше, чем в обычной DRAM. А главное — схема позволяет записывать два бита в одну ячейку за счёт четырёхуровневого заряда. Размер ячейки — те же 4F², что и у классики. То есть плотность не страдает.
Микро-инструкция: как работает 2T0C за три шага
- Запись: открывается верхний транзистор, заряд поступает в общий канал. Уровень заряда задаёт значение (00, 01, 10, 11).
- Хранение: оба транзистора закрыты. Заряд удерживается в канале за счёт изоляции и отсутствия конденсатора (меньше утечек).
- Чтение: открывается нижний транзистор, измеряется ток канала — он пропорционален хранимому заряду.
Просто и элегантно. Но самое интересное — производство.
Техпроцесс за один проход: как это возможно
Исследователи подготовили многослойную пластину: пять нанометровых слоёв полупроводников (материалы IGZO, тантал и др.) разделены четырьмя слоями диоксида кремния. Всё это одним литографическим проходом травится на глубину до 120 нм — получаются углубления. Затем отжиг и напыление превращают стенки в транзисторы. Ключевая фишка — самовыравнивание: верхний и нижний транзисторы формируются одновременно, без совмещения по осям. Это радикально упрощает процесс.
«Простота техпроцесса — это ещё не гарантия массового выпуска. Уровень брака и повторяемость — вот что решает.»
Ячейки идеально подходят для 3D-стекинга: можно наращивать слои одну над другой, увеличивая объём памяти без уменьшения литографических норм. Для обычной DRAM такой стек — мука (нужны TSV, сложная разводка). Здесь же — естественное продолжение технологии.
Цифры и реальность: что пока не так
Лабораторные образцы показали время хранения 470–500 секунд без регенерации. Это в сотни раз больше, чем у обычной DRAM (64 мс). Но до NAND-флеш (годы) далеко. Задержка чтения — 50 нс, что сопоставимо с DDR5. Температурные дрейфы в пределах 100 мВ при 85°C — нормально для мобильных устройств.
Сравнительная таблица
| Параметр | Обычная DRAM (1T1C) | Новая ячейка (2T0C) |
|---|---|---|
| Минимальный размер | 4F² – 6F² | 4F² |
| Конденсатор | Обязателен | Отсутствует |
| Время хранения без регенерации | ~64 мс | ~500 с |
| Задержка чтения | ~50 нс (DDR5) | ~50 нс |
| Сложность техпроцесса | Высокая (многослойные конденсаторы) | Низкая (один проход, самовыравнивание) |
| Возможность 3D-стекинга | Сложно | Идеально |
На бумаге всё выглядит прекрасно. Но есть нюанс.
Недавно я заметил, как много разговоров о «прорывах» в памяти (ReRAM, FeRAM, MRAM) — а до серийных чипов доходят единицы. Эта китайская разработка — не исключение. От лабораторных экземпляров до конвейера могут пройти годы, а то и десятилетия. Вопросы — уровень брака, стабильность характеристик, совместимость с существующими контроллерами. Пока нет ни одной дробилки 300-мм пластин, ни хотя бы тестового производства.
Моё мнение: технология перспективна, но не для замены DDR5 в серверах. Первыми её увидят встроенные системы (embedded DRAM) — там важны малое потребление и простота интеграции. Если удастся наладить стековый выпуск, можно получить дешёвую память для смартфонов и IoT. Но ждать чуда в ближайшие пять лет не стоит.
Резюме от автора: 2T0C — изящный инженерный ход, который обходит фундаментальные ограничения DRAM. Но путь от лаборатории до магазина вымощен не только открытиями, но и миллиардами долларов инвестиций. Следим за развитием.
