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RÉSUMÉ
Cet article a pour but de retracer les évolutions techniques qui ont abouti aux mémoires actuelles. Après une brève présentation des différents sous-ensembles de ce composant que sont la matrice de mémorisation, la logique de contrôle et l’interface d’entrée-sortie, leurs évolutions spécifiques sont détaillées. Le portrait de ce qui pourrait être appelée « mémoire idéale » est ensuite esquissé à partir des recherches et des réponses industrielles actuelles. En particulier, sont développés quatre composants électroniques émergents : les mémoires à changement de phase, les mémoires résistives, les mémoires ferroélectriques et les mémoires magnétorésistives (respectivement la PCRAM, la ReRAM, la FRAM et la MRAM).
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Philippe DARCHE : Maître de conférences à l’Institut Universitaire de Technologie (IUT) de Paris - (Université de Paris), - Chercheur au LIP6 dans l’équipe Inria DeLyS de Sorbonne Université, Paris, France
INTRODUCTION
Depuis les premières mémoires intégrées vives statiques et dynamiques de la société Intel apparues respectivement en 1969 et 1971, ces composants n’ont cessé d’évoluer en termes de capacité de stockage et de performance, principalement en temps de latence et le débit. La capacité de la mémoire dynamique est ainsi passée de 1 Kib (référence Intel 1103 – 1971) à 32 Gib (DDR4 SDRAM – 2019) et son temps de cycle a débuté à 580 ns pour arriver aux alentours de 32,5 ns (modèle DDR4-3200-20-20-32 ligne activée) pour une lecture aléatoire (mêmes références que précédemment).
L’objet de cet article est de retracer les évolutions techniques de la mémoire à semi-conducteurs. Les différents sous-ensembles de ce composant, que sont la matrice de mémorisation, la logique de contrôle périphérique et l’interface, sont d’abord présentés, puis leurs évolutions détaillées. Par ailleurs, les progrès de l’intégration font que, depuis le milieu des années 1990, il est possible d’intégrer un système informatique sur une seule puce. La mémoire qui y est intégrée se nomme mémoire embarquée, nous précisons ses avantages. Pour terminer, nous esquissons ce que serait la « mémoire idéale » à partir des recherches actuelles. Son portrait pourrait être une capacité de stockage identique à celle des mémoires « classiques », une absence de volatilité de l’information, un débit compatible avec les architectures de processeurs actuelles et une meilleure efficacité énergétique. Nous présentons en particulier trois réponses industrielles actuelles que sont les mémoires à changement de phase, ferroélectriques et magnétorésistives dont les représentants respectifs sont la PCRAM, la ReRAM, la FRAM et la MRAM.
Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire, un tableau des acronymes et des notations utilisés.
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MOTS-CLÉS
technologie de l'information mémoire à semi-conducteurs à accès aléatoire mémoire vive mémoire morte mémoire émergente
VERSIONS
- Version archivée 1 de déc. 2016 par Philippe DARCHE
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Conclusion7. Vers la mémoire idéale
Une association professionnelle, l’ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors), représentant les principales associations professionnelles du secteur, publie un rapport tous les deux ans donnant des prévisions sur le futur des semi-conducteurs. Les technologies actuelles de fabrication des circuits intégrés atteignent leurs limites. Il y a ce que les spécialistes nomment le mur de briques rouges qui représente la limite physique de la finesse de la gravure. La définition de la finesse de gravure est différente selon le type de composant. Ainsi, pour la mémoire EEPROM flash, il s’agit de la distance minimale entre deux pistes en polysilicium. Par contre, pour la mémoire et le MPU (MicroProcessor Unit), il s’agit de la distance minimale entre deux pistes en métal M1 à partir de laquelle l’ITRS a défini le demi-pas (pitch) F. L’évolution de la finesse de gravure d’un circuit intégré dépend de paramètres physiques, technologiques et, bien évidemment, économiques. La figure 45 précise son évolution.
Les chercheurs ont une préférence pour les technologies qui peuvent être mises à l’échelle, c’est-à-dire ici réductibles, sans aucune modification fondamentale de ces dernières. La cellule SRAM ne peut se réduire pour des raisons structurelles (type 6T ou 4T-2R), mais la taille de celle-ci suit la diminution de la finesse de gravure. Le condensateur de la DRAM doit posséder une certaine capacité pour ne pas diminuer la période de rafraîchissement. Il ne peut donc pas suivre la réduction d’échelle. L’interface synchrone a amélioré le débit de données, mais pas la latence. Pour la mémoire EEPROM flash, l’approche de la grille flottante trouve sa limite dans la finesse de l’isolant entre la grille flottante et le substrat, qui est de l’ordre de 7 nm, afin de pouvoir garantir une durée de rétention de 10 ans. Cette épaisseur minimale limite par ailleurs les vitesses d’effacement et d’écriture, non compatibles avec la vitesse de fonctionnement des microprocesseurs actuels. Il y a aussi un phénomène de bruit lié au couplage entre cellules appelé diaphonie qui est un facteur limitant.
7.1 Caractéristiques
Les industriels sont à la recherche de la « mémoire idéale ». Son portrait serait, par rapport aux générations actuelles, une densité de...
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Vers la mémoire idéale
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - DARCHE (P.) - Architecture des ordinateurs – Mémoires à semi-conducteurs : Principe de fonctionnement et organisation interne des mémoires vives. - Volume 1. Éditions Vuibert. ISBN 978-2-311-00476-2 (2012).
-
(2) - SIDDIQI (M.A.) - Dynamic RAM : Technology Advancements. - CRC Press. ISBN-13 978-1439893739 (2012).
-
(3) - Low power and reliable SRAM memory cell and array design. - Koichiro Ishibashi and Kenichi Osada Editors. Springer Séries in Advanced Microelectronics. ISBN 978-3-642-19567-9 (2011).
-
(4) - MASUOKA (F.) et al - A new flash E2PROM cell using triple polysilicon technology. - International Electron Devices Meeting (IEDM) Digest, vol. 30, p. 464-467 (1984).
-
(5) - DARCHE (P.) - Architecture des ordinateurs – Interfaces et périphériques – Cours avec exercices corrigés. - Éditions Vuibert. ISBN 2-7117-4814-6 (2003).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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NORMES
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IEEE Draft Standard for Prefixes for Binary Multiples. The Institute of Electrical and Electronics Engineers. New York, USA. - IEEE STD P1541/D5 - 2002
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IEEE Standard for Prefixes for Binary Multiples. ISBN 0-7381-3386-8. - IEEE STD 1541-2002 -
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IEC Letter symbols to be used in electrical technology – Part 2 : Telecommunications and electronics – Symboles littéraux à utiliser en électrotechnique – Partie 2 : Télécommunications et électronique. International Electrotechnical Commission – Édition 2.0 – Bilingual. Août 2005. - NF EN IEC 60027-2 - 2019
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