2021年4月30日
Jeongdong Choe博士英特尔的2nd新一代XPoint内存-它值得漫长的等待吗?
2017年，TechInsights分析了英特尔1的细节圣gen. XPoint内存(OptaneTM内存16GB, MEMPEK1W016GA)，包括结构、材料、工艺、设计和电路等。从那以后，我们一直在等待2nd多年来一直使用gen. XPoint内存。3D XPoint非易失性存储技术于2015年引入，产品从2017年开始发货。美光的战略是为英特尔等数据中心客户提供用于原生云基础设施的持久内存技术。最初的价值主张是更高的密度，更便宜的DRAM和更快的NAND。然而，美光决定退出3D XPoint非易失性内存市场，转而将其数据中心的努力集中在新兴的计算快速链接(CXL)接口上。因为美光科技最近放弃了，虽然他们有1个圣XPoint存储产品(X100 ssd)的有限客户，英特尔是目前唯一的公司在这方面。
英特尔宣布了Optane家族的三款新的内存产品，其中2ndgen. 3D XPoint内存。2ndgen. XPoint内存具有四层相变内存(PCM)结构，适用于256Gb模具。Optane P5800X被认为是市场上最快的带有PCIe NVMe 4.0 x4的企业级SSD。
也有一个新的混合SSD与NAND和3DXP以及新一代Optane内存Crow Pass。Optane内存H20是一种融合了大部分3D NAND和小部分3D XPoint的固态硬盘，其代号为金字塔冰川。英特尔Optane H20固态硬盘计划于2021年第二季度推出。第三代Optane持久内存，也被称为Optane DIMM，现在已经和Crow Pass一起提上了议程，它只会出现在即将到来的Sapphire Rapids服务器平台上，预计最早要到2021年底。
图1。市场上披露的XPoint和PCM设备的历史
在此期间，我们最好简单回忆和复习1圣gen. XPoint记忆技术，特别是在结构、材料和模/块设计方面。图1显示了XPoint/PCM的历史。第1代XPoint记忆模具有128Gb (16GB)的模密度和两层PCM结构。它已被应用于许多英特尔SSD产品，如Optane, 800P, 900P, DC P4800X, H10和DCPMM。
图2。位密度的比较;三星、英特尔和美光的3D NAND，英特尔XPoint，三星和美光的D1z DRAM
在内存比特密度方面，Intel Optane XPoint第一代的内存比特密度为0.62 Gb/mm2，高于DRAM模(平均位密度0.23~0.27 Gb/mm)2(D1z节点DRAM产品)，而比目前商用的128L或144L 3D NAND产品，如三星128L 512Gb TLC (6.91 Gb/mm)要低得多2)、SK海力士128L 512Gb TLC (8.11 Gb/mm2)和英特尔144L QLC (12.86 Gb/mm2)．图2显示了位密度的比较;三星、英特尔和美光的3D NAND，英特尔XPoint，三星和美光的D1z DRAM。我们估计并添加了即将推出的三星176L 512Gb TLC 3D NAND和英特尔第2代XPoint内存256Gb芯片到图中。如果第二代XPoint内存256Gb模具尺寸相同，并优化了外围设计，它将增加到约1.36 Gb/mm2，但仍在N1y或N1z 2D NAND的范围内。为了实现更高密度的存储类存储器(SCM)应用，需要更多创新的架构概念。
英特尔XPoint电池阵列结构和外围设计使用了阵列(CuA)下的CMOS概念，也用于英特尔/美光3D NAND构建。通过使用cua型集成，英特尔和美光的3D NAND存储阵列效率(~85%)比非cua产品(60~70%)更高。同样，XPoint存储模的内存效率超过90%，因为XPoint存储阵列中的存储元素位于金属4和金属5之间。也就是说，所有的CMOS电路，如驱动、解码器、BL访问、本地数据和地址控制都放在内存元素下，这与3D NAND的CuA架构类似。周边模具采用瓷砖式平面设计，与英特尔/美光CuA 3D NAND模具相同。每个模具16,384块瓷砖意味着7.81 Mb/瓷砖密度，每个瓷砖分配2150个BLs和2150个wl(包括假wl和BLs)。
1使用了双层存储/选择器结构圣将军XPoint记忆。对于存储元件，许多候选材料如相变材料、阻性氧化物电池、导电桥电池和MRAM电池已经被提出和开发。其中，1圣gen. XPoint存储器采用了一种硫化物基相变材料GST (Ge-Sb-Te)合金层。一种用于BL和WL光刻/蚀刻工艺的20nm双模版技术。有效地，2F2单元设计在XPoint存储器单元阵列上。
对于选择元件，可以使用许多开关器件，如晶体管型(BJT或FET)、二极管型和ovonic阈值开关。英特尔1圣与GST合金PCM层不同的是，gen. XPoint Memory采用了另一种砷(As)掺杂的硫化物基合金。英特尔使用的选择器材料是一种光电阈值开关(OTS)材料。整体结构由双层堆叠的内存层和沿位线和字线的OTS选择器元素组成。OTS选择器没有延伸到中间电极或底部电极上。
图3:描述工艺和设计问题的图像;(a)有源阵列附近的虚拟块和互连区，(b) M4上的多衬垫，以及(c) ME1钨层与ME2分离的PCM/OST单元结构
在流程和设计上有一些需要改进的问题，例如阵列和外围区域不匹配、吞吐量/成本、WL/BL互连区域惩罚和单元扩展。图4显示了一些描述问题的图像，包括(a)有源阵列附近的虚拟块和互连区域，(b) M4上的多衬垫，以及(c) ME2钨工艺与ME1分离的PCM/OST单元结构。外围区域与XPoint单元阵列区域没有很好地匹配，这导致在活动单元块之间添加了许多虚拟单元块。由于面积惩罚，虽然使用CuA结构，但单元面积效率下降到57.8%。在WL、BL1和BL2触点下使用三个着陆垫与cell XPoint阵列上的M4层连接，可能会导致Rc较高，成本增加。中间电极(ME)层由两个分离的W层ME1和ME2组成，这意味着需要额外的光刻、蚀刻和CMP工艺。
为什么我们要耐心地等待2nd将军XPoint记忆?
我们希望在英特尔的第二代中，许多问题都能得到解决和改进ndgen. XPoint内存产品。我们期待英特尔如何更新XPoint技术。
Jeongdong Choe博士，高级技术研究员
Jeongdong Choe博士是TechInsights的高级技术研究员。他在半导体行业、DRAM、NAND/NOR FLASH、SRAM/逻辑和新兴存储器的研发和逆向工程方面有近30年的经验。raybet正规么他在SK海力士和三星电子工作了20多年。他加入TechInsights，一直专注于半导体工艺、器件和架构的技术分析。他写过许多关于内存技术的文章，包括DRAM技术趋势，2D和3D NAND进程/设备集成细节，以及新兴内存如STT-MRAM, XPoint, ReRAM和FeRAM设计和架构。他每季度生产和更新一个广泛分布的内存路线图DRAM, NAND和新兴内存。
