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英特尔Optane 3D XPoint存储器采用了哪些创新技术?

2017/8/1    来源:搜狐    作者:佚名      
关键字:存储  Optane   3D XPoint  
TechInsights的研究人员针对采用XPoint技术的英特尔Optane存储器之制程、单元结构与材料持续进行深入分析与研究。
    TechInsights的研究人员针对采用XPoint技术的英特尔Optane存储器之制程、单元结构与材料持续进行深入分析与研究。
 
    英特尔(Intel)和美光(Micron)在2015年8月推出了3D XPoint,打造出25年以来的首款新型态存储器技术。2016年,英特尔发布采用3D XPoint技术的Optane品牌储存产品,成为该技术最先上市的新一代高性能固态硬盘(SSD)系列。
 
    根据TechInsights的材料分析,XPoint是一种非挥发性存储器(NVM)技术。位元储存根据本体(bulk)电阻的变化,并结合可堆叠的跨网格数据存取阵列。其价格预计将会较动态随机存取存储器(DRAM)更低,但高于快闪存储器。
 
    TechInsights最近取得了英特尔Optane M.2 80mm 16GB PCIe 3.0并加以拆解,在封装中发现了一个3D X-Point存储器芯片。这是英特尔和美光的首款商用化3D Xpoint产品。英特尔3D X-Point存储器的封装尺寸为241.12mm2(17.6mm x 13.7mm),其中并包含X-Point记体晶粒。该3D X-Point晶粒尺寸为mm2(16.6mm x 12.78mm)。
 
Xpoint存储器封装与晶粒(16B)图 (来源:英特尔3D XPoint、TechInsights)
 
    图1:Xpoint存储器封装与晶粒(16B)图 (来源:英特尔3D XPoint、TechInsights)
 
    TechInsights的进一步分析确定,英特尔Optane XPoint存储器芯片的每颗晶粒可储存128Gb,较目前2D与3D TLC NAND商用产品的储存密度略低,如图1所示。美光(Micron) 32L 3D FG CuA TLC NAND的每颗晶粒存储器密度为2.28Gb/mm2,三星(Samsung) 48L TLC V-NAND为2.57Gb/mm2,东芝(Toshiba)/WD 48L BiCS TLC NAND为2.43Gb/mm2,而海力士(SK Hynix)36L P-BiCS MLC NAND则为1.45Gb/mm2。相形之下,英特尔的Optane XPoint的存储器密度为0.62Gb/mm2。
 
存储器密度比较
 
    图2:存储器密度比较
 
    然而,相较于DRAM产品,3D Xpoint的存储器密度较同样采用20nm技术的DRAM产品更高4.5倍,也比三星的1xnm DDR4高出3.3倍。Xpoint存储器产品采用20nm技术节点,实现0.00176μm2的单元尺寸,这相当于DRAM单元大小的一半。这是因为可堆叠的存储器单元,以及4F2取代6F2用于存储器单元阵列设计。
 
X-point存储器阵列SEM与TEM影像图
 
    图3:X-point存储器阵列SEM与TEM影像图
 
    我们都知道,美光32L和64L 3D NAND产品采用CuA (CMOS under the Array)架构,表示其存储器阵列效率达85%,较其他3D NAND产品的效率(约 60-70%)更高,例如三星3D 48L V-NAND的效率为70.0%。同样地,XPoint存储器阵列中的储存元件由于位于金属4和金属5之间,使得晶粒的存储器效率可达到91.4%。换句话说,所有的CMOS电路,如驱动器、解码器、位元线存取、本地数据以及位址控制,均位于与3D NAND的CuA架构相似的存储器元件下方。图2显示英特尔XPoint与市场上现有3D NAND产品的存储器效率比较。
 
存储器阵列效率的比较
 
    图4:存储器阵列效率的比较
 
    至于英特尔XPoint存储器阵列中的存储器元素,它采用在金属4和金属5之间的储存/选择器双层堆叠结构,并在金属4上连接几个选择器触点接头。在储存元件方面,已经开发了诸如相变材料、电阻氧化物单元、导电桥接单元以及磁阻式随机存取存储器(MRAM)等备选方案。其中,英特尔XPoint存储器采用基于硫族化物的相变材料,而其存储器元件采用锗-锑-碲(Ge-Sb-Te)合金层,即所谓的相变存储器(PCM)。
 
    在选择器方面则使用了许多开关元件,例如双载子接面电晶体(BJT)或场效电晶体(FET)、二极体和双向阈值开关(OST)。英特尔XPoint存储器使用另一种基于硫族化物的合金,掺杂不同于存储器元素的砷(As)。这表示英特尔XPoint存储器使用的选择器是一种双向阈值开关材料。
 
    接下来,我们还将深入这款元件,寻找更具创新性的技术。
 
    图5显示沿着位元线和字元线的双层存储器/OTS选择器元件横截面影像。OTS选择器并不会延伸至中间电极或底部电极。
 
沿着位元线和字元线的XPoint PCM/OTS横截面 (来源:英特尔3D XPoint、TechInsights)
 
    图5:沿着位元线和字元线的XPoint PCM/OTS横截面 
 
责任编辑:李欢
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