אפלייד מטיריאלס הכריזה על מכונות לייצור זכרונות MRAM ,ReRAM ו-PCRAM

בתמונה למעלה: מערכת Endura Clover לייצור זכרונות MRAM התנגדותיים

חברת אפלייד מטיריאלס (Applied Materials) פיתחה שתי מערכות ייצור שבבים מסוג חדש לחלוטין, המאפשרות לייצר רכיבי זיכרון מסוג MRAM ,ReRAM ו-PCRAM, המיועדים בעיקר לשימוש ביישומי IoT הדורשים זכרונות אמינים, זולים וחסכוניים מאוד באנרגיה. שתי המערכות החדשות הן Endura Clover ו-Endura Impulse. "פלטפורמות Endura החדשות הן המערכות המתוחכמות ביותר לייצור שבבים אשר אפלייד ייצרה אי-פעם", אמר מנהל קבוצת הסמיקונדקטורס באפלייד מטיריאלס, ד"ר פראבו ראג'ה. "הצלחנו לשלב מספר רב של טכנולוגיות הנדסת חומרים במקביל למטרולוגיה ולייצור שכבות ומבנים חדשים, אשר לא התאפשרו עד היום".

מאחורי ההכרזה ניצב משבר בתעשיית רכיבי הזכרון שהתעשייה מחפשת מענה עבורו. הטכנולוגיות הנפוצות כיום לזיכרונות הן Flash NAND ו-DRAM שהומצאו לפני עשרות שנים ונמצאות בכל התקן או מערכת דיגיטלית. אולם הן מתחילות להגיע לקצה גבול יכולת השיפור שלהן. זיכרון פלאש הינו זיכרון בלתי-נדיף השומר על המידע כאשר המכשיר כבה ולכן מצוי בשימוש נרחב באבזרים מבוססי סוללה וביישומים הרושמים ומוחקים כמויות גדולות של מידע, כגון מכשירי מובייל, כונני SSD, התקני USB ועוד. אולם הוא מספק קצב איטי יחסית של כתיבת וקריאת מידע.

תעשיית רכיבי הזיכרון בצומת של קבלת החלטות

לכן ביישומים הדורשים הרצת מידע מהירה כמו למשל בזכרונות מטמון לצד המעבד, נעשה שימוש בזיכרון מסוג DRAM. אולם זהו זיכרון נדיף המאבד את המידע ברגע שהמכשיר כבה. כיום התעשייה מחפשת מענה לדרישות חדשות: זיכרון בלתי נדיף בעל מהירות כתיבה וקריאה גבוהה, קיבולת נתונים (נפח זיכרון) גדולה והספק עבודה נמוך. בשנתיים האחרונות התעשייה מייצרת זכרונות בטכנולוגיית 3D NAND, המאפשרת להציב תאי זיכרון אחד על גבי השני באופן רב-שכבתי (תצורת מגדל), ועל-ידי כך לדחוס יותר קיבולת זיכרון בשבב יחיד.

אולם הההערכה הרווחת היא שתהליכי הייצור של הרכיבים החדשים מורכבים ויקרים מאוד ושרכיבי 3D NAND לא יצליחו לעמוד בדרישות המהירות וצריכת ההספק שהמוצרים החדשים דורשים. על הרקע הזה החל הפיתוח של טכנולוגיות זיכרון חדשות, כשהמובילות הן MRAM, ReRAM ו-PCRAM. אומנם הן מבטיחות יתרונות ייחודיים, אבל הן מבוססות על שימוש בחומרים חדשים שהתעשייה לא מכירה וקשים להתאמה לייצור המוני. לכן הההכרזה החדשה של אפלייד מטיריאלס היא בעלת משקל חשוב.

 

מערכת Endura Impulse לייצור זכרונות PCRAM ו-ReRAM
מערכת Endura Impulse לייצור זכרונות PCRAM ו-ReRAM

התכונות המופלאות של זיכרון מגנטי

זיכרון MRAM הוא זכרון מגנטי (Magnetic Random-Access Memory) ונחשב לזכרון שיכול להחליף את הפלאש. הוא עשוי מחומרים מגנטיים עדינים המשמשים בדרך כלל בכונני דיסקים קשיחים. MRAM הוא זיכרון בלתי-נדיף אבל מהיר מאוד, וככל הנראה צפוי להחליף בשבל הראשון את זכרונות SRAM כזיכרון מטמון רמה 3. ניתן גם לשלב MRAM בשכבות העורפיות של שבבי IoT ובכך להקטין את מימדי השבב ואת העלויות.

כדי לסייע בהעברת MRAM לייצור המוני, חברת אפלייד מטיריאלס הכריזה השבוע על מערכת Endura Clover MRAM PVD הבנוייה משבעה תאי עיבוד נפרדים של פרוסת הסיליקון בתנאי ואקום גבוה. זוהי מערכת ה-300 מ"מ הראשונה בתעשייה לייצור המוני של זכרונות MRAM. היא מסוגלת לשקע עד חמישה חומרים שונים בכל תא. כדי לייצר זכרונות MRAM יש צורך בשיקוע של לפחות 30 שכבות שונות של חומר ברמת דיוק של מספר אנגסטרם בודדים, ובלא להוציא את פרוסת הסיליקון מתא הוואקום כאשר נעשה מעבר משכבה לשכבה או מחומר לחומר.

כדי להבטיח איכות ייצור אופטימלית, המערכת כוללת ציוד מטרולוגיה המשולב בתוך מערכת הייצור, אשר מבצע בדיקת עובי השכבות ברמת דיוק של חמישית אנגסטרם (0.2Angstrom). פלטפורמות הייצור השנייה היא Endura Impulse המיועדת לייצר שבבי זכרון מסוג ReRAM – Resistive RAM, ומסוג PCRAM – Phase-Change RAM. זכרון ReRAM משלב את יתרונות הפלאש (בלתי נדיף) וה-DRAM (מהיר): הוא בלתי נדיף, מהיר, פועל בהספק נמוך ובעל מחזור חיים ארוך.

כיצד מייצרים "זכוכית זוכרת"

טכנולוגיית ReRAM מבוססת על שימוש בחומרים המשנים את התנגדותם החשמלית בתגובה למתח חשמלי (בדומה לנתיך), ועל-ידי כך "זוכרים" את רמת המתח גם לאחר הניתוק ממקור הכוח. טכנולוגיית PCRAM מבוססת על היכולת של גביש זכוכית המזוהם בחומרים מוגדרים, לשנות את מצב הצבירה שלו מגבישי לאמורפי ולהיפך, באמצעות זרם חשמלי. גם הוא בלתי נדיף, מהיר, מאפשר הגדלת כמות באמצעות יצירת מספר שכבות ופחות סובל מזליגות בהשוואה לזכרונות פלאש (הטכנולוגיה נמצאת בשימוש נרחב בדיסקים מסוג DVD).

שני סוגי הזכרון האלה מתחרים על מקומה של טכנולוגיית DRAM. פלטפורמת Endura Impulse כוללת תשעה תאי ייצור תהליכיים בתנאי ואקום, בדומה למערכת Clover. גם כאן מערכת הבקרה והמטרולוגיה משולבת בתהליך הייצור עצמו, ומספקת מדידות של התהליכים ברמת דיוק של 0.2 אנגסטרם כדי להבטיח ייצור ברמת דיוק של אנגסטרמים בודדים.

Weebit Nano מתקרבת למסחור זיכרון ReRam למערכות משובצות

חברת הסטראט-אפ מהוד השרון Weebit Nano הצליחה להגדיל את אב-הטיפוס של זיכרון ה-ReRam שהיא מפתחת למערך של 4 קילו-בייט (4kb), כלומר 4,000 תאי זיכרון עובדים על גבי פרוסת סיליקון. מדובר בנקודת ציון נוספת במפת הדרכים של החברה בדרך למסחור טכנולוגיית ה-ReRam שלה, שמיועדת להחליף את זיכרון הפלאש הנפוץ. בחברה מציינים כי ניסויים שבוצעו באב-הטיפוס החדש לא הציגו ירידה בביצועים כתוצאה מהגדלת השבב.

על פי החברה, קצב הפיתוח מתקדם מהר מהמתוכנן. בחודש נובמבר 2017 ביצעה החברה את פריצת הדרך המשמעותית הראשונה והציגה, כחודש לפני המועד המתוכנן, מודל ראשוני של תא זיכרון בודד על גבי פרוסת סיליקון של 40 ננומטר. כעת, לאחר שהגדילה את המערך ל-4,000 תאי זיכרון, היעד הבא הוא לעלות מדרגה נוספת ולהשלים עוד השנה את הפיתוח של שבב זיכרון ReRam בגודל של מיליון בייטים (1Mb) והתחיל לשווק זיכרון ReRam בלתי נדיף (Non-Volatile) למערכות משובצות.

ReRam – הדור הבא של הזיכרונות

כיום קיימים שני סוגי זיכרון מרכזיים בתעשייה: טכנולוגיית Flash NAND וטכנולוגיית DRAM. הפלאש הינו זיכרון "בלתי נדיף", כלומר הוא משמר את המידע המאוחסן גם כאשר זרם החשמל נפסק והמכשיר כבה. משום כך הוא משמש ביישומים המעלים ומוחקים כמויות גדולות של מידע, כגון מכשירי מובייל, נגנים, כונני SSD, התקני USB ועוד. עם זאת, החיסרון המרכזי של הפלאש הוא בקצב איטי מאוד יחסית של כתיבת וקריאת מידע. לכן ביישומים שבהם נדרשת הרצת מידע מהירה נעשה שימוש בזיכרון מסוג DRAM, למשל במעבדי מחשב ובזכרונות מטמון שבאמצעותם מריצים את תוכנות ההפעלה וניגשים לקבצים הדורשים פעולה מהירה. בניגוד לפלאש, ה-DRAM הינו זיכרון נדיף: ברגע שהמכשיר כבה – המידע נמחק לחלוטין.

הביקוש הגואה בשוק הזיכרונות, שצפוי רק להמשיך ולעלות בשנים הקרובות, מבשר על קצה גבול היכולת העתידית של הטכנולוגיה הזו: תחומים מתפתחים כמו בינה מלאכותית, רכב אוטונומי, מרכזי מידע, תשתיות IoT ועוד, מצריכים מהירויות כתיבה וקריאה גבוהות מאוד, קיבולת נתונים (נפח זיכרון) גבוהה מאוד – והספק עבודה נמוך.

היעד הראשון: מסחור זיכרון למערכות משובצות

כאן נכנסת לתמונה Weebit Nano. החברה מפתחת זיכרון מסוג חדש הקרוי ReRAM ((Resistive Random Access Memory, אשר משלב בין היתרונות של הפלאש ושל ה-DRAM: בלתי נדיף, מהיר, פועל בהספק נמוך ובעל מחזור חיים ארוך.

קובי חנוך, מנכ"ל Weebit Nano

המטרה הגדולה שלWeebit Nano  היא לפתח בסופו של דבר שבבי זיכרון במערכים גדולים של ג'יגה-בייטים וטרה-בייטים, שיוכלו לתת מענה לכל צרכי שוק ה-DRAM וה-NAND. אם תצליח בכך, היא עשויה להפוך את הטכנולוגיה שלה לטכנולוגיית הדור הבא של תעשיית רכיבי הזיכרון, שהיקפה נאמד כיום בכ-40 מיליארד דולר בשנה.

ואולם, האסטרטגיה הנוכחית של החברה כעת היא להוציא לשוק כמה שיותר מהר שבב זיכרון קטן יותר, שנותן מענה לפלח מסוים של השוק, וזאת כדי להתחיל ולייצר הכנסות לפני שהיא ממשיכה בפיתוח הלאה. מנכ"ל החברה, קובי חנוך, בריאיון ל-TechTime: "פיתוח שבבי ReRam לרכיבי זיכרונות גדולים, כדוגמת USB או כונני SSD, זהו תהליך שעוד יימשך שנות עבודה רבות. ואולם, בתור חברה קטנה שרוצה להגיע למכירות כמה שיותר מהר, אנחנו מתכוונים תחילה להוציא לשוק שבבי זיכרונות למערכות משובצות, שבהן נדרשים מערכי זיכרון קטנים יותר. אחרי שנתחיל לייצר הכנסות נמשיך לפתח את הזיכרונות העצמאיים לשוק הזיכרונות הבלתי נדיפים."

דמויות בכירות בהנהלה

Weebit Nano אינה היחידה במשחק. שורה של יצרניות זיכרונות מובילות, כגון פנאסוניק, HP ו-Dell כבר הצהירו על כוונתן להתחיל בייצור המוני של שבבי ReRAM בשנים הקרובות. כמו בכל שוק חדש, אלו שיהיו שם ראשונות יוכלו לזכות בנתח שוק משמעותי ולהכתיב א הסטנדרט בתעשייה. חנוך מעודד מקצב ההתקדמות של החברה ביחס למתחרות. "לוח הזמנים שלנו הוא מאוד תחרותי. אנחנו מצליחים לעשות את הדברים הרבה יותר מהר מהמתחרים, שהתחילו לפתח את הטכנולוגיה שלהם כבר לפני 7-10 שנים. אנחנו התחלנו רק לפי 3 שנים וכבר משיגים את רובם. על פי התכנון, נוכל להתחיל ולמסחר את המוצר הראשון לתחום המערכות המשובצות בעוד כשנתיים. כשנה תוקדש לשיפור הפרמטרים, וכשנה נוסת להעברת הטכנולוגיה למפעל ייצור."

היתרון המשמעותי הנוסף של Weebit Nano הוא שהיא מסתמכת על על חסיליקון אוקסידי (SiOx), שהוא אחד החומרים הנפוצים ביותר בתעשיית השבבים ומשמש לייצור פרוסות סיליקון (Wafers). בניגוד למתחרים, המתבססים על חומרים אקזוטיים ויקרים יותר, החומר של Weebit מיועד לאפשר ייצור של הזיכרונות החדשים בקווי הייצור הסטנדרטיים הפועלים כיום בתעשיית השבבים, ללא התאמות מיוחדות ובעלות נמוכה.

"אנחנו מאוד מקפידים להשתמש בחומרים הסטנדרטיים שהפאבים משתמשים בהם, כלומר סיליקון אוקסידי. הדבר הכי חשוב בתעשיית הסמיקונדוקטור היא תשואה, כלומר, כמה שבבים עובדים על גבי פרוסת סיליקון. כבר חמישים שנה שבתעשייה מבצעים אופטימיזציה של תהליך הייצור של סיליקון אוקסידי, וזאת כדי להגיע לתשואה הגבוהה ביותר. המתחרים שלנו משתמשים בחומרים לא סטנדרטים, ועל כן כשהם יחלו בשלב הייצור הם ייתקלו בהמון בעיות מאחר שטכנולוגיית הייצור הקיימת לא מותאמת לחומרים אלה. אנחנו מאמינים, לעומת זאת, שכשאנחנו נגיע לייצור, משום שמדובר בחומר סטדנרטי, נוכל להגדיל את הייצור להיקפים המוניים ביתר קלות ולהגיע לרווחים גבוהים יותר."

Weebit, שהוקמה ב-2015, הונפקה בבורסה של אוסטרליה (ASX) ב-2016, במטרה למשוך משקיעים משוק ההון לחברה. תנועת המנייה בשנה האחרונה עשויה ללמד על העניין ההולך וגובר מצד המשקיעים בחברה: ב-12 החודשים האחרונים עלה ערך המנייה יותר מפי שלוש והחברה נסחרת לפי שווי שוק של 86 מיליון דולר.

Weebit Nano הצליחה למשוך להנהלה שלה כמה דמויות בכירות בתעשייה, שהצטרפותם לשורות החברה מלמדת על הפוטנציאל של הטכנולוגיה שלה. יו"ר הדירקטוריון של החברה הוא דיוויד פרלמוטר, מי שהיה בעבר מספר 2 באינטל והוביל את פיתוח מחשב הפנטיום. להנהלה הצטרף לא מכבר גם יואב ניסן כהן, שייסד את טאואר סמיקונדטור הישראלית ושימש כמנכ"ל החברה במשך כ-9 שנים. עוד חבר הנהלה הוא פרופסור ג'יימס טור מאוניברסיטת רייס בארצות הברית, שלמעשה פיתח את הפטנט המקורי שעליו מבוססת הטכנולוגיה של Weebit. ב-2014 טור נכלל ברשימת 50 המדענים המשפיעים ביותר בעולם. "אני מאוד גאה בצוות הנלה שלנו. יש לנו מנהלים יוצאי דופן בהשוואה לכל חברה בתעשייה הזאת, בטח עבור חברה קטנה כשלנו," אומר חנוך.