VTT:n ferrosähköinen muistiteknologia tasoittaa tietä erittäin energiatehokkaalle tekoälylaskennalle

Nykyiset muistiratkaisut perustuvat kaikki varaukseen, ja suurtaajuisessa laskennassa suurilla tietomäärillä, kuten tekoälylaskennassa, ne soveltuvat poikkeuksellisen huonosti: 

1. Ne ovat liian hitaita ja vikaantuvat jo muutamien kymmenientuhansien uudelleenohjelmointisyklien jälkeen (NAND-flash), 
2. Ne ovat haihtuvia siten, että ne menettävät muistintilansa mikrosekunneissa, mikä tekee niistä erittäin paljon energiaa kuluttavia (DRAM) tai 
3. Niiden pinta-ala on suuri, mikä tekee niiden laajamittaisesta integroinnista liian kallista (SRAM). 

Tällä hetkellä tekoälylaskenta tukeutuu lähes yksinomaan paljon energiaa kuluttavaan DRAM-muistiin. Tekoälyn energiankulutuksen kasvaessa edelleen eksponentiaalisesti puolijohdeteollisuus etsii kiireellisesti vaihtoehtoisia muistiratkaisuja.

Tekoälysovellusten laskennassa muistiteknologian rajoitteiden lisäksi merkittävää energia- ja suorituskykyhaittaa aiheuttaa valtavien tietomäärien siirtäminen edestakaisin prosessoriyksiköiden ja muistisolujen välillä. Yhdistetyssä laskenta- ja muistisolussa muistin on oltava haihtumatonta, eli sen ylläpito ei saa edellyttää energiaa. Lisäksi muistin tila on voitava mitata johtavuutena eikä tallennettuna varauksena, joka purkautuu mittauksen aikana.

Haihtumattomien ferrosähköiseen hafnium-zirkoniumoksidiin (HZO) perustuvien laskennallisten muistiyksiköiden käyttöönoton on arvioitu voivan parantaa laskennallista tehokkuutta useilla suuruusluokilla ja tarjota siten kipeästi tarvittavan väylän kohti kestävää ja kustannustehokasta tekoälyä. VTT:n kehittämän teknologia-alustan tulokset ovat tärkeitä askelia kohti pilottilinjavalmistusta, jossa prosessoinnista voidaan tehdä huomattavasti vähemmän riippuvaista kokonaisprosessin vaihteluista piikiekon keskeltä reunaan saakka.

VTT kehittää uudenlaista vähävirtaista muistia, joka perustuu ferrosähköisen hafnium-zirkoniumoksidin (HZO) erittäin ohuisiin kalvoihin. Tämä materiaali voi säilyttää sähköisen polarisaationsa myös virran katkaisun jälkeen. Teknologia on erittäin energiatehokas, nopea kirjoittaa ja lukea, riittävän pienikokoinen integroitavaksi pieneen pinta-alaan ja kykenee yli biljoonaan uudelleenohjelmointikertaan. Kun se yhteisintegroidaan valitsimen kanssa, se voi mahdollistaa myös analogisen laskennan suoraan muistissa.

Erilaisten laskentajärjestelmien simulaatiot ovat osoittaneet, että ferrosähköiset HZO-muistit voisivat parantaa tekoälylaskennan tehokkuutta yli satakertaisesti verrattuna nykyisiin johtaviin vaihtoehtoihin, kuten grafiikkasuorittimiin (GPU). Kun HZO-muistit on kehitetty valmiiksi, ne voisivat tärkeää kyllä päästä markkinoille suhteellisen nopeasti, koska niitä voidaan valmistaa puolijohdeteollisuudelle jo tutuilla prosesseilla.

Tässä työssä karakterisoitiin 5,5 nanometrin paksuisia ferrosähköisiä HZO-metalli-eriste-metalli- eli MIM-kondensaattoreita, joissa oli erilaisia alikerrospaksuuksia, jotta voitiin tutkia niiden vaikutusta piikiekkotason suorituskykyjakaumiin. Tutkimuksessa tarkasteltiin tavanomaista kiinteäliuoksista HZO:ta (SS-HZO, vuorottelu yhden atomikerroksen välein) ja superhila-HZO:ta (SL-HZO, vuorottelu viiden atomikerroksen välein). Aiemmassa kirjallisuudessa on osoitettu, että SL-HZO:n käyttö voi parantaa yksittäisten komponenttien ferrosähköistä suorituskykyä. VTT:n havainnot vievät tämän askeleen pidemmälle: SL-HZO:n käyttöönotto vähentää merkittävästi prosessivaihteluiden, kuten alla olevan metallikalvon paksuuden, vaikutusta koko piikiekolla. Tuloksena on vakaa kytkeytymiskäyttäytyminen piikiekon keskeltä reunaan saakka ja huipputason suorituskyky.

Näytteet valmistettiin OtaNanon puhdastilassa Micronovassa Espoossa osana VTT:n työtä haihtumattoman muistin pilottilinjan kehittämiseksi EU Chips Actin ja Business Finlandin rahoittamassa FAMES-hankkeessa. Pilottilinja toimii siltana laboratoriotutkimuksen ja teollisen valmistuksen välillä osoittamalla, että teknologiaa voidaan valmistaa hallitusti, toistettavasti ja skaalautuvasti.

Tämän työn tueksi VTT on myös vahvistanut mittausvalmiuksiaan FAMES-hankkeen kautta hankituilla uusilla laitteilla. Nämä työkalut auttavat tutkijoita tarkistamaan komponenttien suorituskyvyn aiempaa tarkemmin ja seuraamaan valmistuksen laatua entistä tiiviimmin. Osoitettu piikiekkotason tasalaatuisuus ei siten ole ainoastaan tieteellinen tulos, vaan myös merkki edistymisestä kohti luotettavaa teknologia-alustaa tulevaisuuden energiatehokkaille muistiratkaisuille.

Seuraaviin vaiheisiin kuuluvat yhteisintegrointi back-end-of-line-valitsinlaitteen kanssa, komponenttien pinta-alan merkittävä pienentäminen sekä saannon ja prosessin toistettavuuden jatkuva parantaminen. Tulevaisuuden VTT:n haihtumattoman muistin alusta voisi soveltua compute-in-memory-ratkaisuihin, mutta tarjota asiakkaille myös suuren joustavuuden uusien ratkaisujen kokeilemiseen.

EU Chips JU:n ja Business Finlandin rahoittama tutkimushanke alkoi joulukuussa 2023 ja jatkuu joulukuuhun 2028. Konsortion kokonaisbudjetti on noin 830 miljoonaa euroa, josta VTT:n osuus on noin 32 miljoonaa euroa.