Belgialainen mikroelektroniikan tutkimuskeskus imec esitteli tällä viikolla IEEE:n International Memory Workshopissa ensimmäisen 3D-rakenteeseen toteutetun CCD-muistin, jonka tavoitteena on ratkaista tekoälyn kasvavaa muistiongelmaa. Instituutin mukaan tekniikka voisi tarjota DRAMia selvästi halvemman ja tiheämmän muistiratkaisun AI-palvelimien käyttöön.
CCD eli charge-coupled device tunnetaan ennen kaikkea kameroiden kuvakennoista. Tekniikassa sähkövarauksia siirretään vaiheittain kennossa portilta toiselle. Nyt imec hyödyntää samaa periaatetta muistina.
Tutkijoiden mukaan uusi 3D CCD -rakenne voidaan valmistaa pitkälti samalla tuotantotekniikalla kuin nykyiset 3D NAND Flash -muistit. Tämä on olennaista, sillä juuri NANDin valmistusarkkitehtuuri mahdollistaa erittäin korkean bittitiheyden ja alhaisen kustannuksen.
Imecin prototyypissä CCD-muisti rakennettiin pystysuoriin “memory hole” -rakenteisiin, jotka porataan kolmen sanalinjan läpi 3D NAND -muistien tapaan. Muistin kanavamateriaalina käytetään IGZO:ta eli indium-gallium-sinkkioksidia.
Tutkijat onnistuivat siirtämään muistibittejä yli 4 megahertsin nopeudella portilta toiselle. Kyse ei vielä ole kaupallisesta muistista, mutta demonstraatio osoittaa, että CCD-rakenne toimii myös kolmiulotteisessa muistipinossa.
Taustalla on AI-järjestelmien nopeasti kasvava muistitarve. Perinteinen DRAM alkaa olla yhä vaikeampi skaalata kustannustehokkaasti, ja erityisesti tekoälypalvelimien HBM-muistit ovat erittäin kalliita. Siksi teollisuus etsii vaihtoehtoisia muistitekniikoita, jotka voisivat täydentää DRAMia suurissa muistipooleissa.
Imec näkee 3D CCD -muistin erityisesti CXL-pohjaisten muistipalvelinten puskurimuistina. CXL eli Compute Express Link mahdollistaa suurten muistialtaiden jakamisen useiden prosessorien kesken erittäin suurella kaistanleveydellä.
Tutkimuksen kiinnostavin piirre on ehkä se, että vuosikymmeniä vanha CCD-periaate tekee nyt paluuta täysin uudessa roolissa. Kuvakennoista tuttu varauksensiirtotekniikka saattaa tulevaisuudessa päätyä ruokkimaan tekoälykiihdyttimien datanälkää datakeskuksissa.
Yllä on kaaviokuva 3D CCD -rakenteesta: alaportti (BG), keskiportti (CG) ja yläportti (TG). Lähde (S) sijaitsee alhaalla ja nielu (D) ylhäällä. Oikealla poikkileikkauskuva TEM-mikroskoopilla, rakenteessa näkyy kolme porttikerrosta, joiden sanalinjaväli on 80 nanometriä.
