مایکرون پس از دو دهه تحقیق، توسعه معماری 4F² را کنار گذاشت

شرکت مایکرون با کنار گذاشتن معماری 4F² به‌دلیل پیچیدگی و هزینه بالای تولید، قصد دارد کوچک‌سازی DRAM مبتنی بر 6F² را ادامه دهد و در بلندمدت به فناوری DRAM سه‌بعدی روی بیاورد.

به‌گزارش سرویس سخت‌افزار تک‌ناک، معماری DRAM مبتنی‌بر سلول‌های حافظه 4F² مدت‌ها یکی از اهداف راهبردی صنعت حافظه محسوب می‌شد. این فناوری قرار بود مساحت سلول را در مقایسه با طراحی رایج 6F² حدود ۳۳ درصد کاهش دهد و به سازندگان امکان دهد تعداد بیشتری سلول حافظه را در سطحی یکسان جای دهند. بااین‌حال، مایکرون پس از نزدیک به دو دهه تحقیق و ارزیابی به این جمع‌بندی رسیده است که معماری 4F² مزیت معناداری از نظر تراکم حافظه ایجاد نمی‌کند، هزینه و پیچیدگی فرایند ساخت را افزایش می‌دهد و با محدودیت‌های بنیادی در مقیاس‌پذیری روبه‌رو است. این نتیجه، تغییری اساسی در راهبرد آینده این شرکت برای توسعه DRAM به‌شمار می‌رود.

بیشتر بخوانید: ماسک به سراغ ساخت تراشه می‌رود؛ اولین EUV سال ۲۰۲۷ عرضه می‌شود

اسکات دبوئر، رئیس بخش فناوری و محصولات مایکرون، در رویداد روز چهارشنبه شرکت اعلام کرد که مایکرون مبدع فناوری DRAM مبتنی‌بر سلول‌های 4F² بوده است. او گفت این معماری همواره به‌عنوان یکی از گزینه‌های توسعه در نظر گرفته می‌شد، اما شرکت طی دو دهه گذشته پس از ارزیابی آن، به‌دلیل افزایش پیچیدگی و هزینه‌های تولید از پیگیری این مسیر صرف‌نظر کرده است. این تصمیم در شرایطی اتخاذ می‌شود که طبق داده‌های TechInsights، سامسونگ و SK hynix همچنان توسعه سلول‌های حافظه 4F² را در نقشه راه خود حفظ کرده‌اند. در نتیجه، تصمیم مایکرون این شرکت را از راهبرد دو رقیب اصلی خود متمایز می‌کند. مایکرون پیش‌تر نیز ادغام لیتوگرافی فرابنفش شدید یا EUV را در فرایند تولید خود به‌تعویق انداخته بود؛ تصمیمی که برخلاف رویکرد رقبا اتخاذ شد، اما مانع حفظ جایگاه رقابتی شرکت از نظر هزینه و عملکرد نشد. از این منظر، کنارگذاشتن معماری 4F² را نمی‌توان تصمیمی کاملاً غیرمنتظره دانست.

معماری 4F² در برنامه آینده DRAM شرکت مایکرون جایی ندارد

جذابیت اصلی معماری 4F²، امکان کاهش نظری مساحت سلول‌های حافظه است. در این نام‌گذاری، F نشان‌دهنده حداقل اندازه ویژگی قابل ایجاد با لیتوگرافی است. بنابراین، مساحت اسمی هر سلول در معماری 4F² برابر با چهار برابر F² است؛ درحالی‌که سلول‌های متداول 6F² مساحتی معادل شش برابر F² دارند.

با فرض یکسان‌بودن ابعاد ویژگی‌های ساخت، سلول 4F² حدود ۳۳ درصد کوچک‌تر از سلول 6F² است. از نظر تئوری، این کاهش مساحت می‌تواند تعداد سلول‌های حافظه قابل‌جاسازی روی یک ویفر را تا ۵۰ درصد افزایش دهد. تراکم بیشتر سلول‌ها نیز می‌تواند هزینه تولید به‌ازای هر بیت را کاهش دهد و ظرفیت حافظه هر تراشه را افزایش دهد، بدون آنکه به کاهش متناسب ابعاد ویژگی‌های لیتوگرافی نیاز باشد.

بااین‌حال، دستیابی به این مزایا به توسعه معماری مناسب ترانزیستورها و آرایش فشرده خازن‌ها وابسته است؛ موضوعی که چالش‌های مهندسی و تولیدی قابل‌توجهی به همراه دارد.

مرتبط: چین با پیشرفت بزرگ در تولید DRAM بازار حافظه را به لرزه انداخت

دبوئر تاکید می‌کند که مزیت نظری معماری 4F² به تراکم بیشتر حافظه در محصولات واقعی منجر نمی‌شود. به گفته او، عامل تعیین‌کننده در تعداد سلول‌هایی که می‌توان روی یک ویفر جای داد، ابعاد خازن‌های DRAM و فاصله آن‌ها از یکدیگر است، نه مساحت اسمی ترانزیستورها. ترانزیستورهای مورد استفاده در ساختارهای 4F² و 6F² باید در فضای زیر خازن‌ها جای بگیرند. از این‌ رو، کاهش مساحت ترانزیستور به‌تنهایی اندازه کلی سلول حافظه را کاهش نمی‌دهد، زیرا هر ترانزیستور همچنان باید با خازن متناظر خود سازگار باشد. مایکرون همچنین معتقد است پیاده‌سازی معماری 4F² به مراحل تولید بیشتر و فرایند ساخت پیچیده‌تری نیاز دارد. این پیچیدگی هزینه‌ها را افزایش می‌دهد، بی‌آن‌که بهبود کافی در تراکم حافظه ایجاد کند تا توجیه‌کننده این هزینه‌ها باشد.

دبوئر در توضیح این دیدگاه گفت: «آنچه تراکم بیت DRAM را تعیین می‌کند، فاصله‌گذاری خازن‌ها، اندازه و ابعاد آن‌هاست، نه این‌که معماری مورد استفاده 6F²، 4F² یا 8F² باشد. بررسی‌های ما در طول حدود دو دهه نشان داده است که این ادعا که 4F² در مقایسه با 6F² مزیت قابل‌توجهی ارائه می‌دهد، تا حد زیادی یک تصور نادرست است. فاصله‌گذاری خازن‌هاست که ساختار DRAM را تعیین می‌کند. می‌توان سلول‌ها و ترانزیستورهای زیر آن‌ها را به شکل‌های مختلف طراحی کرد، اما در نهایت همه این اجزا باید با فاصله‌گذاری خازن‌ها سازگار باشند؛ عاملی که اندازه سلول DRAM را مشخص می‌کند. بنابراین، بخشی از تفاوت‌هایی که در بحث‌های مربوط به 6F² و 4F² مطرح می‌شوند، بیشتر جنبه ظاهری دارند تا آن‌که نشان‌دهنده مزیت واقعی باشند.»

مسیر توسعه فناوری‌های پیشرفته با معماری 4F² محدود می‌شود؟

مایکرون به‌جای گذار به معماری سلول‌های DRAM مبتنی‌بر 4F²، قصد دارد روند کوچک‌سازی ساختار متداول 6F² را ادامه دهد. این شرکت بر این باور است که می‌توان بدون تغییر بنیادی در معماری ترانزیستورها، از طریق کاهش فاصله‌گذاری خازن‌ها و استفاده از نسل‌های پیشرفته‌تر فرایند ساخت، تراکم بیت حافظه را افزایش داد. به گفته مایکرون ، ترکیب لیتوگرافی پیشرفته، مواد جدید و فناوری اتصال ویفرها می‌تواند کوچک‌سازی DRAM مسطح را برای چند نسل دیگر امکان‌پذیر کند. برای نمونه، فناوری ساخت 1δ این شرکت که برنامه‌ریزی شده است در نیمه دوم سال ۲۰۲۷ وارد تولید انبوه شود، در مقایسه با نسل قبلی افزایش حدود ۲۰ تا ۲۵ درصدی تراکم بیت را وعده می‌دهد. مایکرون همچنین قصد دارد در نسل‌های آینده DRAM از فناوری لیتوگرافی فرابنفش شدید با دهانه عددی بالا، موسوم به High-NA EUV، استفاده کند.

دبوئر در عین حال تاکید دارد که DRAM مبتنی‌بر 4F² از نظر فنی امکان‌پذیر است و مایکرون نیز نمونه‌های آزمایشی این معماری را ساخته است. بااین‌حال، هرچه ابعاد ویژگی‌های ساخت کاهش می‌یابد، پیچیدگی فرایند تولید و هزینه‌های پیاده‌سازی 4F² افزایش پیدا می‌کند. موضع مایکرون بر این فرض استوار است که انتخاب معماری 4F² می‌تواند با استفاده از فناوری‌های فرایندی پیشرفته‌تر در تعارض قرار بگیرد؛ برداشتی که شاید توضیحی برای تمجید اخیر شرکت چینی CXMT از این معماری باشد. دبوئر به محدودیت فیزیکی مشخصی اشاره نکرد، اما توضیح داد که معماری 4F² پس‌از رسیدن به مرحله‌ای معین، مسیر مقیاس‌پذیر و پایداری برای ادامه کوچک‌سازی نخواهد داشت. این دیدگاه نشان می‌دهد مایکرون استفاده از یک معماری واسطه را چندان ارزشمند نمی‌داند، زیرا چنین راهکاری در نهایت به گذار فناورانه دیگری نیاز خواهد داشت.

دبوئر گفت: «با بررسی مسیر کوچک‌سازی، می‌توان به چند نسل فرایندی قبل بازگشت و بدون تردید معماری 4F² را در آن نسل‌ها پیاده‌سازی کرد. این کار پیچیده‌تر و پرهزینه‌تر است، اما امکان‌پذیر خواهد بود. مسئله زمانی مطرح می‌شود که بخواهیم 4F² را فراتر از سطح فناوری فعلی توسعه دهیم. در آن مرحله، محدودیت‌های فیزیکی تعیین‌کننده خواهند بود. معماری 4F² با مشکلات بنیادی در مسیر مقیاس‌پذیری مواجه است که در نهایت، ظهور DRAM سه‌بعدی را به‌عنوان جایگزین آن ضروری می‌کند.»

DRAM سه‌بعدی مسیر آینده صنعت حافظه است

راهکار بلندمدت موردنظر مایکرون، توسعه DRAM سه‌بعدی است. این معماری با روی‌هم‌چیدن سلول‌های حافظه در راستای عمودی، تراکم حافظه را افزایش می‌دهد و به کاهش پیوسته ابعاد افقی سلول‌ها وابستگی کمتری دارد. مایکرون هم‌زمان با توسعه چند نسل آینده فناوری‌های ساخت DRAM مسطح، کار روی چند نسل از گره‌های تولید DRAM سه‌بعدی را نیز آغاز کرده است. این رویکرد با توجه به نقش نوآوری‌های بنیادی فرایندهای ساخت مسطح در توسعه فناوری‌های NAND سه‌بعدی چندان دور از انتظار نیست. بااین‌حال، شرکت هنوز زمان ورود معماری DRAM سه‌بعدی به مرحله تولید تجاری را مشخص نکرده است. به گفته دبوئر، مهاجرت به این معماری زمانی انجام خواهد شد که بتواند توازن مناسبی میان تراکم حافظه، پیچیدگی فرایند ساخت و هزینه تولید برقرار کند.

برای مطالعه بیشتر: SK hynix فناوری خنک‌کننده جدیدی برای حافظه‌های HBM توسعه می‌دهد

اگرچه سامسونگ و SK hynix همچنان معماری DRAM مبتنی بر 4F² را در نقشه راه محصولات آینده خود حفظ کرده‌اند، مایکرون معتقد است کاهش مساحت اسمی سلول‌های حافظه لزوماً به بهبود صرفه اقتصادی تولید منجر نمی‌شود. از دیدگاه این شرکت، ادامه مقیاس‌پذیری معماری 6F² و گذار نهایی به DRAM سه‌بعدی، راهبردی پایدارتر و موثرتر برای افزایش تراکم حافظه در بلندمدت خواهد بود.