面積減半 采用Z-RAM技術新型DRAM問世

　　一家瑞士新興公司（Innovative Silicon Inc）已經開發出一種極具潛力的、革命性的90納米DRAM技術，據稱該技術可改善內存組件的速度、尺寸與功耗等方面。

　　Innovative Silicon公司表示，與傳統DRAM單元相較，采用其Z-RAM技術設計存儲單元在面積上減少一半，而執行速度更快且功耗更低。不過，該技術還面臨一些問題，包括專利狀況，以及它是否有能力參與幾乎無回報的嵌入式DRAM市場競爭。

　　Innovative公司的DRAM單元不是采用存儲在電容器中的電荷來表示信息，而是透過在一個傳統絕緣硅(SOI)MOSFET的信道下擷取電荷來存儲數據。這種電荷會增大浮體效應(Foating-Body Effect)，但同時也被認為是SOI設計中的最大問題，以及導致SOI高速切換的禍源。截止目前為止，它從未在商業上作為存儲介質。

　　但這并非新的理念。早在1990年，比利時IMEC的一位研究人員就獲得了在動態內存中使用浮體效應的原始專利，Innovative公司總裁兼執行長Mark-Eric Jones介紹道。不過，IMEC最后認為這個概念不可行并放棄了它。“他們讓這個專利失效了。”他補充道。

　　然而，并非所有人都對此失去了興趣。Innovative公司合伙人兼技術長Pierre Fazan就是那些重新拾起此概念并從新的角度進行嘗試的人員之一。2001年，Fazan在一篇論文中首次采用這些原理描述了一種概念性的DRAM單元。2002年Innovative公司成立。與此同時，其它公司的研究人員也注意到了這種技術：一些日本半導體公司發表了相關文章，IBM也開始審議該技術。

　　Innovative公司存儲單元最出色之處就是結構簡單。它由單個晶體管構成，其源極連接到選擇線，漏極連接完整線，柵極連接到字線。當施加足夠高的漏極電壓時，源極電流的大小取決于存儲在晶體管浮體中的電荷數量。如果在活動區出現空穴，電流將迅速增大。如果在活動區擷取了電子，電流將隨電壓逐步增高，并達到一個較低的最大值。

Z-RAM存儲結構示意圖，S=源極、D=漏極、Vss=源極電壓、Vdd=漏極電壓，圖中a的狀態代表邏輯“1”，b的狀態代表邏輯“0”

　　Innovative還必須考慮其它問題。其中之一是被擷取的電荷不能永久存在。透過熱電子電離或者band-to-band的隧道效應，可以向晶體管的浮體注入電荷，因而實現向存儲單元寫入數據。前一種技術速度極快，而后一種技術功耗極低，這使得Innovative公司幾乎免費獲得了該技術的高速和低功耗兩種版本。而問題是透過重新結合，電荷會逐漸消失，因此存儲單元必須不斷刷新。Fazan表示，幸運的是，在工作溫度下，存儲單元的保持時間與傳統DRAM類似，所以可以采用相同的刷新速率。

　　“這當然是一種值得關注的技術，”IBM半導體技術分析師Jack Mandelman強調，“不過，它存在很多潛在問題，包括時序問題以及相鄰單元間的相互影響。”

　　但其優點也非常突出，例如在密度和性能方面。Innovative公司宣布已經開發出90納米組件，讀寫時間低于3奈秒，一個位單元面積為0.18平方微米。目前，該公司正制造90納米的Mb級存儲數組。

　　另一個優點是該內存可以采用普通SOI CMOS邏輯制程制造。如果采用SOI進行設計，無需改變標準邏輯制程，Z-RAM就適用于嵌入式內存數組。

　　目前，Innovative計劃以單純的IP授權模式來進軍嵌入式DRAM市場。它將授權硬IP，或者將向希望自行開發內存的客戶授權底層技術并提供培訓。而且，該公司還在開發一種內存編譯器，也將授權給客戶。

　　對技術不成熟或經濟上不具競爭力的新興公司，嵌入式DRAM市場將會是它們的惡夢。NEC可能是目前唯一看好該領域的公司。NEC定制LSI部門的副總裁兼總經理Philip LoPresti表示，該公司已經看到客戶對其MIM(金屬-絕緣體-金屬)電容器嵌入式DRAM制程表現出興趣，尤其是在90納米方面。

　　此外，在一塊90納米芯片上可以放置的內存數量，使得嵌入式DRAM正超越訊框緩沖存儲器器或高速暫存內存等應用。Innovative公司的Jones預計，這也將成為有利于公司發展的要素。“憑借比其它DRAM更小的面積和更高的速度，我們不再只關注專用的緩沖存儲器，”Jones表示，“這種DRAM速度快、密度大，足以作為ARM類處理器的L2高速緩沖存儲器，或高階工作站CPU的L3高速緩沖存儲器，同時能獲得比SRAM更低的功耗和更大的密度。”

　　前景是令人向往的，但也并非一片坦途。例如，浮體效應只在SOI中是重要的，這限制了Innovative公司的市場空間。迄今為止，只有少數芯片是采用SOI制程生產的，包括IBM的Power CPU、AMD的CPU產品線，以及Sony和Toshiba正為下一代Playstation開發的芯片。這些產品都沒有采用傳統ASIC設計，而且每一種產品都需要設計團隊付出巨大努力。

　　Innovative公司要解決的另一個問題將是與IBM之間的專利之爭。“在Fazan發表原始論文之后還有許多工作要做，”IBM的Mandelman說，“Toshiba已經發表了描述一種類似單元的論文。而我們涉及開發了IP以解決與原始工作有關的問題。”