范紐曼瓶頸的因應之道

10 min readFeb 7, 2023

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(一)、研究動機

范紐曼瓶頸 :

基於范紐曼架構的①內儲程式(stored programming) : 將欲執行的程式與資料先載入記憶體中再由 CPU 從記憶體中抓取資料處理之與②循序執行(Sequential Execution) : 使指令會依序一一執行。因此，當 CPU 高速運算下，因為資料在記憶體讀寫程序耗費大量時間，使 CPU 經常處在閒置狀態，造成記憶體的存取速度限制整體效率的現象，此現象稱為范紐曼瓶頸。此專題在探討面對范紐曼瓶頸的因應之道。

(二)、基本介紹

1、MOS

PMOS 與 NMOS 是由源極(source)、汲極(drain)與閘極(gate)所構成。

a. 當閘極為低電位(0)時(VGS<VTM)

PMOS 閘極通道形成，使 PMOS 導通，NMOS 載子濃度低，使 NMOS 不導通。

b. 當閘極為高電位(1)時(VGS>VTN)

NMOS 閘極通道形成，使 NMOS 導通，PMOS 載子濃度低，使 PMOS 不導通。

PMOS 與 NMOS 可組成 CMOS 反相器。

2、Bulk Planar 製程

早期的 130nm~28nm 製程所製造出來的電晶體屬於 Bulk Planar 的平面架構，缺點是當尺寸不斷微縮後，容易造成通道短路（漏電）。

3、揮發性記憶體

電腦記憶體或隨機存取記憶體 RAM(Random Access Memory)，是系統的短期資料儲存區，存放電腦正在使用中的資訊，以便快速地存取。系統正在執行的程式越多，需要的 RAM 就越多。因此 RAM 在系統效能速度中扮演至關重要的角色。而揮發性記憶體(Volatile Memory)是指當電流中斷後所儲存的資料便會消失的記憶體，以 DRAM 和 SRAM 最常見。

DRAM

因為儲存的資料需持續不斷刷新，故稱為動態隨機存取記憶體(Dynamic Random Access Memory)。價格較便宜，是最常見的揮發性記憶體。

SRAM

因為儲存的資料不需要一直被刷新，故稱為靜態隨機存取記憶體(Static Random Access Memory)。SRAM 因速度較快，價格也比 DRAM 高。最常見的 SRAM 是由 6 顆 MOS 所組成的 6T-SRAM。

Read：

Write：

SRAM 面臨的挑戰：

①1986 年到 2000 年間，處理器的效能每年以 55%的幅度在成長，但記憶體每年僅有 10%的速度增長，此稱為記憶體撞牆（Memory Wall）。

②正電源流經 SRAM 單元到接地會有漏電流，隨著晶片變熱，漏電流會急劇增加，形成能量浪費的基本消費。當未來產品功能不斷推陳出新，「日益坐大」的 SRAM 容量將帶來更大量的能量浪費。

(三)、Fin-FET(Fin Field-Effect Transistor)製程

從 28nm 起，傳統的 Bulk Planar 製程就開始面對物理極限的問題。因此電晶體由傳統平面走向 3D 立體結構，因為在構造上與魚鰭非常相似，所以稱為「鰭式」。

與平面電晶體相比，FinFET 改進了對通道的控制，從而減小了短通道效應。平面電晶體的閘極位於通道的正上方，而 FinFET 器件的閘極則是三面包圍著通道，能從兩邊來對通道進行靜電控制。

製程從平面演進到 FinFET (planar-to-FinFET)，例如台積電推出 16nm、12nm、7nm FinFET 製程，雖可使元件尺寸繼續微縮，但先進製程所帶來的面積縮小效益變得趨緩。

(四)、次世代記憶體

改善記憶體撞牆效應不能只寄託於新的製程技術，所以專家開始從改變記憶體的材料，甚至是改變讀寫與儲存資料的方法來切入。而 RRAM 和 MRAM 正是近年新興的次世代記憶體技術。

1、RRAM

作用原理

上下兩層電極施加電壓，絕緣層則進行轉換不同的電阻狀態，利用電阻改變儲存資料。目前以電阻絲理論作為電阻的切換模式最被廣泛接受。利用阻絲的斷裂與生成來寫入訊息。

優點

— 能以奈秒的速度進行電阻轉換。

— 能在低電流下操作。

— 具有優異的反覆讀寫能力(Endurance)和記憶保持能力(Retention)。

— 可藉由控制寫入電壓大小來改變儲存資料的電阻值達到多位元(multi-bit) 儲存於同一元件的優點。

2、MRAM

MRAM 是一種利用磁態儲存資訊的非揮發性記憶體(Non Volatile memory)，MRAM 的基本結構為磁性穿隧結(Magnetic Tunneling Junction MTJ)，由兩個鐵磁(FM)層組成，兩個鐵磁間則由絕緣穿隧障壁隔開。利用電子自旋與磁矩的各種交互作用原理，使整個元件結構具有明顯電阻變化。