拆解開英特爾3D XPoint內存封裝，當時我就震驚了

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內存技術。2016年，英特爾發布採用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是一種非揮發性內存(NVM)技術。位儲存根據本體(bulk)電阻的變化，並結合可堆棧的跨網格數據存取數組。其價格預計將會 較動態隨機存取內存(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內存晶元。這是英特爾和美光的首款商用化3D Xpoint產 品。英特爾3D X-Point內存的封裝尺寸為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)。

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

TechInsights的進一步分析確定，英特爾Optane XPoint內存晶元的每顆晶粒可儲存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的每顆晶粒內存密度為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的內存密度為0.62Gb/mm2。

圖2：內存密度比較

然而，相較於DRAM產品，3D Xpoint的內存密度較同樣採用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內存產品採用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。這是因為可堆棧的內存單元，以及4F2取代6F2用於內存單元數組設計。

圖3：X-point內存數組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，表示其內存數組效率達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內存數組中的儲存組件由於位於金屬4和金屬5之間，使得晶粒的內存效率可達到91.4%。換句話說，所有的CMOS電路 ，如驅動器、解碼器、位線存取、本地數據以及地址控制，均位於與3D NAND的CuA架構相似的內存組件下方。圖2顯示英特爾XPoint與市場上現有3D NAND產品的存儲體效率比較。

圖4：內存數組效率的比較

至於英特爾XPoint內存數組中的內存元素，它採用在金屬4和金屬5之間的儲存/選擇器雙層堆棧結構，並在金屬4上連接幾個選擇器觸點接頭。在儲存組件方面，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內存(MRAM)等備選方案。其中，英特爾XPoint內存採用基於硫族化物的相變材料，而其記憶體組件採用鍺-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組件，例如雙載子接面晶體管(BJT)或場效晶體管(FET)、二極體和雙向閾值開關(OST)。英特爾XPoint內存使用另一種基於硫族化物的合金，摻雜不同於內存元素的砷(As)。這表示英特爾XPoint內存使用的選擇器是一種雙向閾值開關材料。

接下來，我們還將深入這款組件，尋找更具創新性的技術。

圖5顯示沿著位線和字元線的雙層內存/OTS選擇器組件橫截面影像。OTS選擇器並不會延伸至中間電極或底部電極。

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

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