被放弃的存储技术，3D XPoint细节首度公开

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来源：内容由半导体行业观察（ID：icbank）编译自pcwatch，谢谢。

在国际会议“IEDM 2023”上，美光科技宣布了其第二代“3D XPoint”内存技术。

3D XPoint内存技术被称为英特尔与美光科技（以下简称美光）于2015年7月28日（美国时间）共同开发的大容量、高速非易失性内存技术。英特尔于2017年3月商业化了用于服务器的“傲腾SSD DC P4800X”高速SSD，并于2017年4月商业化了用于HDD缓存的“傲腾内存系列”M2卡。“Optane”是英特尔为配备 3D XPoint 内存的产品赋予的品牌名称。

第一代（1st Generation）3D XPoint内存的存储容量为128Gbit，远大于2017年的DRAM（最大8Gbit）。据说访问速度明显高于 NAND 闪存，但并未透露芯片本身的测量数据。即便如此，执行随机访问的能力仍被高度评价为优于 NAND 闪存的优势。

英特尔和美光于 2016 年公布了存储（SSD）实际测量的比较值。内容是输入/输出速度（IOPS）是NAND Flash SSD（PCIe接口）的7.7至10倍，延迟是NAND Flash SSD的1/8.4至1/10。

制造技术由一家外部公司宣布

尽管3D XPoint内存技术引起了半导体内存行业的强烈关注，但开发商英特尔和美光却公布的技术信息很少。截至 2017 年底，即最初宣布两年半后，英特尔和美光发布的技术信息仍然非常有限。我们采用第一代3D XPoint存储技术（两层三维交叉点结构）开发了存储容量为128 Gbit的硅芯片，存储单元具有存储元件和单元选择元件的结构（选择器）垂直堆叠。根据硅芯片和晶圆拍摄的图像数据，以及原型 SSD 与 NAND 闪存 SSD 的性能比较，我们开发了第二代 3D XPoint 内存技术（四层三层）维度交叉点结构）。这只是一个计划的问题。

相反，以下细节“官方”未知，当中包括设计规则（制造技术节点）、存储元件原理和材料、选择器原理和材料、存储单元电极材料、存储单元面积（或尺寸）、硅芯片面积（或尺寸）、存储密度、存储单元阵列面积效率（百分比）整个硅芯片中存储单元阵列的数量）、数据保留期、重写周期寿命、硅芯片布局（平面图）、硅芯片存储单元阵列和外围电路的结构、读访问时间、写访问时间、功耗待机和运行期间等。

此外，3D XPoint内存并不是单独销售，而是作为HDD缓存和SSD等模块产品销售。为此，硅芯片分析服务公司TechInsights获得了模块产品，提取了第一代存储芯片，并对内部进行了分析，结果成为半导体存储界有价值的技术资料。2017年8月在美国举办的闪存及应用产品相关活动闪存峰会（FMS）上，TechInsights公布了对从HDD缓存中取出的内存芯片进行分析的部分结果。

英特尔公布第一代技术概述

感谢芯片分析服务公司 TechInsights，许多有关尺寸、工艺技术和材料的所谓物理信息已经被揭示。然而，通过芯片分析很难提取访问时间和工作频率等电气特性。这是因为芯片分析是一种分析半导体芯片的方法，同时破坏其从封装级到硅芯片级甚至芯片内部的结构。

如果预先知道封装的引脚排列，则可以通过探测来研究电气特性。然而，3D XPoint 内存本身尚未商用，因此没有数据表。由于不知道封装上的哪些端子对应哪些信号，因此几乎不可能分析电气特性。

与此同时，英特尔在2020年12月举行的国际会议IEDM上公布了其第一代3D XPoint内存技术的部分内容。这是首次正式披露电气特性。

读延迟时间为100ns，写延迟时间为500ns，两者都相当短。特别是写入延迟时间仅为NAND闪存的十分之几到百分之几。并且写入吞吐量约为3.4Gbps，也非常高。没有发布有关长期可靠性的数据。

关于制造技术的部分与TechInsights 2017年8月在FMS上发表的内容完全一致。严格来说，Intel发布的有关制造技术的内容不如TechInsights发布的内容，前者范围狭窄。尽管如此，TechInsights 尚未公布的一些基本技术在英特尔的官方声明中还是被曝光了。

例如，存储单元的结构。如上所述，TechInsights 公布的存储单元结构和材料存在一些差距。这些包括顶部电极层、中间电极层和底部电极层。英特尔透露，这些电极层是碳电极。

通过“批量相变”加快写入速度

据介绍，相变存储器（PCM）元件中的相变是由与传统元件不同的原理引起的。相变存储元件利用硫族化物合金在两个相态之间来回的特性来存储1位逻辑值：结晶相（低电阻状态或置位状态）和非晶相（高电阻状态或置位状态）重置状态）。

在传统的相变存储元件中，结晶硫族化物合金层被设置在电极(上电极或下电极)和硫族化物合金层之间的加热器加热，并且其一部分转变为非晶相。

常规相变存储元件及写入原理（示意图）。在初始状态下，所有硫族化物合金层均处于结晶状态。在下部电极与硫属化物合金层(结晶相)之间设置有电阻元件(加热器)。通过施加外部电压来施加电流，并且加热器加热硫族化物合金，将结晶相的一部分改变为非晶相，从而使得电阻增加。

然而，根据英特尔的IEDM论文，在3D XPoint内存的相变存储元件中，由于整个设备区域的原子间键的变化，整个材料一次性经历了相变。这就是英特尔自 2015 年 7 月开始开发以来一直所说的“批量相变”。此外，由于整个晶体结构而不是部分晶体结构立即改变，因此不再需要验证工作。这是有助于减少写入时间的主要优点。然而不幸的是，目前尚不清楚“类块相变”是如何发生的。

第二代 3D XPoint 内存首次揭示数据保留期限

3D XPoint内存作为一种高速、大容量的非易失性内存，具有突破性的技术和未来的前景，但众所周知，它的商业化表现并不好。2021年3月，美光将正式宣布暂停这款内存的开发并出售其制造基地。

英特尔在 2022 年 7 月 28 日发布的第二季度业绩公告中表示，将“退出 Optane 业务”，并“记录 Optane 内存库存减值损失”。这是事实上的撤军。3D XPoint内存的历史在7年后结束。

美光在 IEDM 2023 上公布的第二代 3D XPoint 内存技术是一种存储容量为 256 Gbit 的非易失性内存，由四个堆叠的 64 Gbit 交叉点结构单元阵列组成。这一事实已于 2021 年 6 月由芯片分析服务公司 TechInsights 作为第二代芯片的分析结果发布。该公司的报告已经透露，工艺技术和存储单元结构与第一代几乎相同。

重要的是电气特性已经公开，类似于英特尔关于第一代的声明。读取延迟时间为100ns，写入延迟时间为500ns，与第一代相同。首次宣布数据保存期限为 7 年（40°C 时）。而且也不是很长（普通非易失性存储器产品的数据保存期限为10年（85℃））。重写循环寿命再次没有发表。功耗也没有透露。

我们还发布了将SSD应用于Z-NAND（使用SLC型3D NAND闪存的高速存储器）SSD时的随机存取时间（延迟时间）进行比较的数据。即使与Z-NAND相比，延迟时间也约为1/20或更小。