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CEI BioTic Granada

Universidad de Granada | Consejo Superior de Investigaciones Científicas | Parque Tecnológico de Ciencias de la Salud de Granada

Nº 10 Septiembre de 2013

La celda de memoria A-RAM: La UGR en la frontera del conocimiento TIC

Proyecto seleccionado en la I Convocatoria "Compromiso con la Investigación y el Desarrollo" del CEI BioTic Granada

Imagen de previsualizacion de la noticia Editorial Francisco Gámiz y Noel Rodríguez

Desde el nacimiento de la Industria Electrónica Moderna, la necesidad de almacenar temporalmente la información en un ordenador ha crecido en paralelo con la necesidad de mayores prestaciones computacionales, de manera que no se podría satisfacer la segunda sin haber satisfecho antes la primera. Desde su invención en los años 60 por Robert Dennard, la información en el interior de un ordenador se ha almacenado mayoritariamente en celdas de memoria DRAM (Dynamic Random Access Memory), formadas por un transistor y un condensador (ó 1T-1C-DRAM), es decir, cada bit de información se almacena en forma de carga eléctrica en una celda formada por un condensador (que almacena la carga) y un transistor a través del cual se accede a dicha carga, y por lo tanto a la información.

Este concepto de DRAM ha permanecido inalterado durante todo este tiempo, y hoy día es posible encontrar celdas DRAM con dimensiones menores 20nm y chips de memoria DRAM con varios gigabytes. Sin embargo, el escalado de esta celda, y por tanto la posibilidad de hacerla más pequeña, está llegando a su fin, debido a la cantidad mínima de carga eléctrica necesaria para poder distinguir con claridad entre los dos posibles estados de un bit (1 y 0), lo que limita el tamaño mínimo del condensador. Si no podemos hacer más pequeño el condensador, la solución pasa por eliminarlo, surgiendo así las celdas de memoria 1T-DRAM, ó memorias de un solo transistor, en las que la información se almacena en el propio transistor, que sirve a la vez para almacenar la información y para detectar el estado de la celda, es decir, acceder a la información. Durante los últimos años han sido varias las iniciativas y las propuestas que han ido apareciendo en esta línea de celdas 1T-DRAM de la mano de las principales industrias semiconductoras y centros de investigación mundiales.

Laboratorio de Nanoelectrónica de la UGR, los Prof. Noel Rodriguez y Prof. Francisco Gamiz, que en 2009 inventaron la celda A-RAM (Advanced Random Access Memory)[1-2]. Basándose en estudios teóricos y simulaciones avanzadas, estos investigadores demostraron que la celda de memoria A-RAM y sus variables A2RAM eran capaces de solucionar los problemas de escalado de la celda DRAM y además proporcionar tiempos de retención de milisegundos, muy bajo consumo de potencia, y una gran separación entre ambos niveles lógicos, lo que la hace especialmente inmune al ruido, y gozar de una inmejorable fiabilidad e inmunidad a la variabilidad de los procesos tecnológicos. Esta invención ha sido protegida hasta el momento por 10 patentes internacionales, incluyendo Japón, EE.UU, Corea y la Unión Europea, y han sido presentados, entre otras, a las principales industrias semiconductoras como Samsung y Hynix en Corea ó Micron en EE.UU.

investigadores-ram Los investigadores Noel Rodriguez (izqda) y Francisco Gamiz (dcha) junto a una oblea procesada por CEA-LETI y que contiene celdas de memorias A2RAM

A pesar de la importancia de los resultados teóricos, es imprescindible la validación experimental de la celda A-RAM o A2RAM, es decir, la fabricación de un demostrador o prototipo. Este era el principal objetivo que nos habíamos marcado a través del proyecto BIOTIC. La fabricación de un prototipo de una celda de estas características en una tecnología avanzada de 22nm supera con creces un presupuesto de 1 M€ lo que está muy lejos del presupuesto asignado por parte de BIOTIC. Sin embargo, lo que nos ha permitido BIOTIC es mantener contacto con grupos y laboratorios de nanoelectrónica europeos, comprometidos con el proyecto BIOTIC, y que nos han facilitado el acceso a la tecnología necesaria para que la prueba de concepto de la celda A2RAM sea hoy una realidad.

imagen-tem Imagen TEM de una celda de memoria A2RAM de 20nm fabricada por CEA-LETI

En particular, el laboratorio CEA-LETI de Grenoble (agregado del BIOTIC) nos ha permitido acceder a una de las tecnologías nanoelectrónicas más avanzadas a nivel mundial, y dentro de un programa MPW (Multi Project Wafer) ha fabricado una oblea de silicio con celdas A-RAM de diferentes tamaños. Además, uno de nuestros alumnos, Carlos Navarro Moral, se ha incorporado a la plantilla del CEA-LETI donde actualmente trabaja para conseguir su Tesis Doctoral en el tema de nuevas estructuras para memorias semiconductoras.

Los dispositivos fabricados por el LETI han sido medidos en el Laboratorio de Nanoelectrónica de la Universidad de Granada (CITIC-UGR), donde se han corroborado experimentalmente todos y cada uno de los resultados avanzados anteriormente mediante estudios teóricos. Los resultados de esta validación experimental se han publicado en la revista IEEE Electron Device Letters [3] y se han presentado en la Conferencia Internacional Silicon on Insulator Technology celebrada en San Francisco, EE.UU[4]. Además como consecuencia de esta validación experimental, se han presentado nuevas patentes en Japón, Corea, EE.UU y la Unión Europea. Actualmente además se están estudiando otras alternativas de memorias basadas en la celda A2RAM, como son la FinFET-ARAM y la Trigate-ARAM y que ya han sido objeto de una patente en Francia y de una presentación en el International Memory Workshop celebrado en Mayo de 2012 en Milán (Italia) [5].

El soporte recibido de CEI-BIOTIC, ha permitido colocar nuestra investigación sobre memorias semiconductoras en la frontera del conocimiento TIC.

celda-de-memoria Patrón de funcionamiento de la celda de memoria donde se observa el proceso de escritura/lectura de los estados 1 y 0 respectivamente

[1]. N. Rodriguez, F.Gamiz, S.Cristoloveanu “A-RAM Memory Cell: Concept and Operation” IEEE Electron Device Letters,31 , pp.972-974 (2009)

[2]. N. Rodriguez, “Novel Capacitorless 1T-DRAM Cell for 22-nm Node Compatible With Bulk and SOI Substrates” IEEE Transactions on Electron Devices, 58, pp.2371-2378 (2011)

[3]. N. Rodriguez, C.Navarro, F.Gamiz, F.Andrieu, O.Faynot, S.Cristoloveanu, “Experimental demonstration of A2RAM memory cells on Silicon-On-Insulator”, IEEE Electron Device Letters, Aceptado para publicación (2012)

[4]. N.Rodriguez, C.Navarro, F.Gamiz, F.Andrieou, O.Faynot, S.Cristoloveanu, “Experimental Demonstration of A2RAM Memory Cell on SOI”, IEEE International SOI Conference, San Francisco, Oct.2-4, 2012

[5].- F.Gamiz, N.Rodriguez and S.Cristoloveanu, “3D Trigate 1T-DRAM memory cell for 2x nm nodes”, 4th International Memory Workshop, Milan, May 20- 22, 2012