人工智能的飞速发展对计算和存储等硬件资源提出了巨大需求,迫切需要提升存储器层级访问的性能与效率。当前,主流计算硬件的存储系统由片上静态随机访问存储器(SRAM)以及片下随机动态存储器(DRAM)构成,它们之间通过有限的总线来进行数据传递,导致带宽有限、功耗与延迟较大等问题,逐渐成为大数据、高算力等人工智能应用的瓶颈。此外,传统硅基六晶体管型(6-T)SRAM单元因其较大的特征尺寸和待机漏电问题,在密度和能耗方面存在诸多限制。同时,传统的硅基DRAM单元也面临着数据保持时间较短、无法通过后道集成提升存储密度等问题,这些问题从根本上限制了SRAM-DRAM存储系统的功耗与密度。

针对上述问题,微电子所集成电路制造技术重点实验室刘明院士/李泠研究员团队通过多层堆叠IGZO薄膜晶体管(TFT)与硅基电路后道集成,提出了一种新型IGZO/Si SRAM和IGZO 2T0C DRAM的三维存储结构,成功实现了高密度、低能耗和高速数据传输等特性。在该结构中,通过在前道硅基闩锁结构上后道集成IGZO传输门,有效地减少了SRAM的占用空间和待机功耗。此外,基于垂直堆叠三层间互连结构,实现了SRAM-DRAM数据传输的最低延迟(<10ns)和最低能耗(2.26fJ)。同时,IGZO 2T0C DRAM的高数据保持特性使SRAM能够在长时间断电(>5000s)后不丢失数据以降低待机功耗。

上述研究成果以题为“First Demonstration of Monolithic Three-dimensional Integration of Ultra-high Density Hybrid IGZO/Si SRAM and IGZO 2T0C DRAM Achieving Record-low Latency (<10ns), Record-low Energy (<10fJ) of Data Transfer and Ultra-long data retention (>5000s)”的论文入选2024 VLSI,并获得大会Best Demo Paper Award奖项。该奖项每年只颁发2项、分别由工艺与电路分论坛各推选1项,本工作也是大陆首次获得该奖项。微电子所博士生刘孟淦、李智和卢文栋为共同第一作者,微电子所李泠研究员、杨冠华副研究员以及窦春萌研究员为通讯作者。

图1 采用三层堆叠的三维集成M3D-SRAM-DRAM结构和对应的电路以及TEM电镜图

图2 混合IGZO/Si 4T SRAM与传统6T SRAM在面积和能耗上的对比;

M3D-SRAM-DRAM系统与传统SRAM+DRAM系统在传输延时和能耗上的对比

图3 Best Demo Award奖项