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記憶體技術。2016年,英特爾發佈採用3D XPoint技術的Optane品牌儲存產品,成為該技術最先上市的新一代高性能固態硬碟(SSD)系列。

根據TechInsights的材料分析,XPoint是一種非揮發性記憶體(NVM)技術。位元儲存根據本體(bulk)電阻的變化,並結合可堆疊的跨網格資料存取陣列。其價格預計將會較動態隨機存取記憶體(DRAM)更低,但高於快閃記憶體。

TechInsights最近取得了英特爾Optane M.2 80mm 16GB PCIe 3.0並加以拆解,在封裝中發現了一個3D X-Point記憶體晶片。這是英特爾和美光的首款商用化3D Xpoint產品。英特爾3D X-Point記憶體的封裝尺寸為241.12mm2(17.6mm x 13.7mm),其中並包含X-Point記體晶粒。該3D X-Point晶粒尺寸為mm2(16.6mm x 12.78mm)。

20170626_TechInsight_NT01P1 圖1:Xpoint記憶體封裝與晶粒(16B)圖 (來源:英特爾3D XPoint、TechInsights)

TechInsights的進一步分析確定,英特爾Optane XPoint記憶體晶片的每顆晶粒可儲存128Gb,較目前2D與3D TLC NAND商用產品的儲存密度略低,如圖1所示。美光(Micron) 32L 3D FG CuA TLC NAND的每顆晶粒記憶體密度為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的記憶體密度為0.62Gb/mm2

20170626_TechInsight_NT01P2 圖2:記憶體密度比較

然而,相較於DRAM產品,3D Xpoint的記憶體密度較同樣採用20nm技術的DRAM產品更高4.5倍,也比三星的1xnm DDR4高出3.3倍。Xpoint記憶體產品採用20nm技術節點,實現0.00176μm2的單元尺寸,這相當於DRAM單元大小的一半。這是因為可堆疊的記憶體單元,以及4F2取代6F2用於記憶體單元陣列設計。

20170626_TechInsight_NT01P3 圖3:X-point記憶體陣列SEM與TEM影像圖

我們都知道,美光32L和64L 3D NAND產品採用CuA (CMOS under the Array)架構,表示其記憶體陣列效率達85%,較其他3D NAND產品的效率(約 60-70%)更高,例如三星3D 48L V-NAND的效率為70.0%。同樣地,XPoint記憶體陣列中的儲存元件由於位於金屬4和金屬5之間,使得晶粒的記憶體效率可達到91.4%。換句話說,所有的CMOS電路,如驅動器、解碼器、位元線存取、本地資料以及位址控制,均位於與3D NAND的CuA架構相似的記憶體元件下方。圖2顯示英特爾XPoint與市場上現有3D NAND產品的記憶體效率比較。

20170626_TechInsight_NT01P4 圖4:記憶體陣列效率的比較

至於英特爾XPoint記憶體陣列中的記憶體元素,它採用在金屬4和金屬5之間的儲存/選擇器雙層堆疊結構,並在金屬4上連接幾個選擇器觸點接頭。在儲存元件方面,已經開發了諸如相變材料、電阻氧化物單元、導電橋接單元以及磁阻式隨機存取記憶體(MRAM)等備選方案。其中,英特爾XPoint記憶體採用基於硫族化物的相變材料,而其記憶體元件採用鍺-銻-碲(Ge-Sb-Te)合金層,即所謂的相變記憶器(PCM)。

在選擇器方面則使用了許多開關元件,例如雙載子接面電晶體(BJT)或場效電晶體(FET)、二極體和雙向閾值開關(OST)。英特爾XPoint記憶體使用另一種基於硫族化物的合金,摻雜不同於記憶體元素的砷(As)。這表示英特爾XPoint記憶體使用的選擇器是一種雙向閾值開關材料。

接下來,我們還將深入這款元件,尋找更具創新性的技術。

圖5顯示沿著位元線和字元線的雙層記憶體/OTS選擇器元件橫截面影像。OTS選擇器並不會延伸至中間電極或底部電極。

20170626_TechInsight_NT01P5 圖5:沿著位元線和字元線的XPoint PCM/OTS橫截面 (來源:英特爾3D XPoint、TechInsights)

編譯:Susan Hong

(參考原文:Memory/Selector Elements for Intel Optane XPoint Memory,by Jeongdong Choe,Techinsights)