深度揭密英特尔Optane 3D XPoint内存

黑妹 · 发表于 2017-8-7 11:00

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内存技术。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是一种非挥发性内存(NVM)技术。位储存根据本体(bulk)电阻的变化，并结合可堆栈的跨网格数据存取数组。其价格预计将会较动态随机存取内存(DRAM)更低，但高于闪存。

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内存芯片。这是英特尔和美光的首款商用化3D Xpoint产品。英特尔3D X-Point内存的封装尺寸为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)。

Intel_Optane_3DXPoint_01 (cr)Intel_Optane_3DXPoint_02 (cr)图1：Xpoint内存封装与晶粒(16B)图（来源：英特尔3D XPoint、TechInsights）

TechInsights的进一步分析确定，英特尔Optane XPoint内存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的每颗晶粒内存密度为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的内存密度为0.62Gb/mm2。

20170626-3D-2图2：内存密度比较

然而，相较于DRAM产品，3D Xpoint的内存密度较同样采用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内存产品采用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。这是因为可堆栈的内存单元，以及4F2取代6F2用于内存单元数组设计。 Intel_Optane_3DXPoint_03 (cr)图3：X-point内存数组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，表示其内存数组效率达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内存数组中的储存组件由于位于金属4和金属5之间，使得晶粒的内存效率可达到91.4%。换句话说，所有的CMOS电路，如驱动器、译码器、位线存取、本地数据以及地址控制，均位于与3D NAND的CuA架构相似的内存组件下方。图2显示英特尔XPoint与市场上现有3D NAND产品的内存效率比较。 20170626-3D-4图4：内存数组效率的比较

至于英特尔XPoint内存数组中的内存元素，它采用在金属4和金属5之间的储存/选择器双层堆栈结构，并在金属4上连接几个选择器触点接头。在储存组件方面，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内存(MRAM)等备选方案。其中，英特尔XPoint内存采用基于硫族化物的相变材料，而其内存组件采用锗-锑-碲(Ge-Sb-Te)合金层，即所谓的相变记忆器(PCM)。

在选择器方面则使用了许多开关组件，例如双载子接面晶体管(BJT)或场效晶体管(FET)、二极管和双向阈值开关(OST)。英特尔XPoint内存使用另一种基于硫族化物的合金，掺杂不同于内存元素的砷(As)。这表示英特尔XPoint内存使用的选择器是一种双向阈值开关材料。

接下来，我们还将深入这款组件，寻找更具创新性的技术。

图5显示沿着位线和字符线的双层内存/OTS选择器组件横截面影像。OTS选择器并不会延伸至中间电极或底部电极。 20170626-3D-5图5：沿着位线和字符线的XPoint PCM/OTS横截面（来源：英特尔3D XPoint、TechInsights）