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TechInsights的研究人員針對采用XPoint技術(shù)的英特爾Optane內(nèi)存之制程、單元結(jié)構(gòu)與材料持續(xù)進(jìn)行深入分析與研究。

英特爾(Intel)和美光(Micron)在2015年8月推出了3D XPoint，打造出25年以來的首款新型態(tài)內(nèi)存技術(shù)。2016年，英特爾發(fā)布采用3D XPoint技術(shù)的Optane品牌儲存產(chǎn)品 ，成為該技術(shù)最先上市的新一代高性能固態(tài)硬盤(SSD)系列。

根據(jù)TechInsights的材料分析，XPoint是一種非揮發(fā)性內(nèi)存(NVM)技術(shù)。位儲存根據(jù)本體(bulk)電阻的變化，并結(jié)合可堆棧的跨網(wǎng)格數(shù)據(jù)存取數(shù)組。其價格預(yù)計(jì)將會 較動態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存(DRAM)更低，但高于閃存。

TechInsights最近取得了英特爾Optane M.2 80mm 16GB PCIe 3.0并加以拆解，在封裝中發(fā)現(xiàn)了一個3D X-Point內(nèi)存芯片。這是英特爾和美光的首款商用化3D Xpoint產(chǎn)品。英特爾3D X-Point內(nèi)存的封裝尺寸為241.12mm²(17.6mm x 13.7mm)，其中并包含X-Point記體晶粒。該3D X-Point晶粒尺寸為mm²(16.6mm x 12.78mm)。

圖1：Xpoint內(nèi)存封裝與晶粒(16B)圖 （來源：英特爾3D XPoint、TechInsights）

TechInsights的進(jìn)一步分析確定，英特爾Optane XPoint內(nèi)存芯片的每顆晶粒可儲存128Gb，較目前2D與3D TLC NAND商用產(chǎn)品的儲存密度略低，如圖1所示。美光 (Micron) 32L 3D FG CuA TLC NAND的每顆晶粒內(nèi)存密度為2.28Gb/mm²，三星(Samsung) 48L TLC V-NAND為2.57Gb/mm²，東芝(Toshiba)/WD 48L BiCS TLC NAND為 2.43Gb/mm²，而海力士(SK Hynix)36L P-BiCS MLC NAND則為1.45Gb/mm²。相形之下，英特爾的Optane XPoint的內(nèi)存密度為0.62Gb/mm²。

圖2：內(nèi)存密度比較

然而，相較于DRAM產(chǎn)品，3D Xpoint的內(nèi)存密度較同樣采用20nm技術(shù)的DRAM產(chǎn)品更高4.5倍，也比三星的1xnm DDR4高出3.3倍。Xpoint內(nèi)存產(chǎn)品采用20nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)，實(shí) 現(xiàn)0.00176μm²的單元尺寸，這相當(dāng)于DRAM單元大小的一半。這是因?yàn)榭啥褩５膬?nèi)存單元，以及4F2取代6F2用于內(nèi)存單元數(shù)組設(shè)計(jì)。

圖3：X-point內(nèi)存數(shù)組SEM與TEM影像圖

我們都知道，美光32L和64L 3D NAND產(chǎn)品采用CuA (CMOS under the Array)架構(gòu)，表示其內(nèi)存數(shù)組效率達(dá)85%，較其他3D NAND產(chǎn)品的效率(約 60-70%)更高，例如三星3D 48L V-NAND的效率為70.0%。同樣地，XPoint內(nèi)存數(shù)組中的儲存組件由于位于金屬4和金屬5之間，使得晶粒的內(nèi)存效率可達(dá)到91.4%。換句話說，所有的CMOS電路 ，如驅(qū)動器、譯碼器、位線存取、本地?cái)?shù)據(jù)以及地址控制，均位于與3D NAND的CuA架構(gòu)相似的內(nèi)存組件下方。

下圖顯示英特爾XPoint與市場上現(xiàn)有3D NAND產(chǎn)品的存儲體效率比較。

圖4：內(nèi)存數(shù)組效率的比較

至于英特爾XPoint內(nèi)存數(shù)組中的內(nèi)存元素，它采用在金屬4和金屬5之間的儲存/選擇器雙層堆棧結(jié)構(gòu)，并在金屬4上連接幾個選擇器觸點(diǎn)接頭。在儲存組件方面，已經(jīng)開發(fā)了諸如相變材料、電阻氧化物單元、導(dǎo)電橋接單元以及磁阻式隨機(jī)存取內(nèi)存(MRAM)等備選方案。其中，英特爾XPoint內(nèi)存采用基于硫族化物的相變材料，而其記憶體組件采用鍺-銻-碲(Ge-Sb-Te)合金層，即所謂的相變存儲器(PCM)。

在選擇器方面則使用了許多開關(guān)組件，例如雙載子接面晶體管(BJT)或場效晶體管(FET)、二極管和雙向閾值開關(guān)(OST)。英特爾XPoint內(nèi)存使用另一種基于硫族化物的合金，摻雜不同于內(nèi)存元素的砷(As)。這表示英特爾XPoint內(nèi)存使用的選擇器是一種雙向閾值開關(guān)材料。

接下來，我們還將深入這款組件，尋找更具創(chuàng)新性的技術(shù)。

圖5顯示沿著位線和字符線的雙層內(nèi)存/OTS選擇器組件橫截面影像。OTS選擇器并不會延伸至中間電極或底部電極。

圖5：沿著位線和字符線的XPoint PCM/OTS橫截面 （來源：英特爾3D XPoint、TechInsights）