近距离观察3D XPoint存储技术：英特尔与美光将走向何方？

交叉点设计思路已然无疑，但其定义界线又在哪里？

3D XPOint技术架构示意图

面对日前刚刚公布的英特尔/美光XPoint存储方案，相信大家肯定抱有很多疑问。下面咱们换个思路，不再纠结于目前已经曝光哪些信息，而是反过来看看仍有哪些问题没有找到答案。

此类疑问包括：

·     其是否属于专利技术？

·     两家开发厂商过去十年中是否一直对此项目保持沉默？

·     其采用了哪种内存存储单元材料？

·     其采用了哪种选择器材料？

·     其采用怎样的方式通过输送电压来切换内存单元的电阻？

·     其存储单元的几何尺寸是怎样的？

·     在300毫米晶圆上能够切割出多少这样的晶粒？

·     读取与写入之间的切换时长是多少？

·     为什么选择双层结构，而非三层或者四层？

·     晶粒具体如何封装？

事实上，我们很难想象3D XPoint这样的成果不属于专利技术。我们也同时认为，无论是英特尔还是美光都不太可能在最初的研究过程中就找到了理想的内存单元制造材料。也许双方或者其中某一方得到了技术许可，或者是收购了某项现有技术方案。

另一项结论则是，关于该项技术的信息过去几年中肯定已经在有意或者无意中得到披露，毕竟这是一个拥有上百名甚至更多技术人员参与的大型项目。在这种情况下，严格保密几乎是不可能的。

3D XPoint内存架构示意图。

通过以上3D XPoint内存架构示意图，我们可以看到其性能水平可以达到采用PCIe NVMe接口的现有NAND的十倍。

英特尔与美光双方表示，3D XPoint内存的最高速度可达现有闪存存储技术的一千倍，以下图表显示了二者的具体差别：

XPoint延迟水平示意图

从图中我们可以看到，XPoint的速度表现可达常规闪存的数百倍，而在极端情况下甚至能够达到后者的上千倍。

树状层级的顶端

XPoint在记忆体层级当中作为新型存储层存在，我们可以通过美光于2011年闪存记忆体峰会上发布的演示图片了解其具体定位：

美光在2011年闪存记忆体峰会上发布的演示图片

从这里可以看到，3D XPoint明显将会取代存储级NAND记忆体，因为前者的速度表现远超后者。那么它的出现会给NAND DIMM带来怎样的影响？目前我们尚不清楚。

担任展示环节主持人的是美光公司高级研究员Greg Atwood，而他给出的演示材料披露了XPoint的以下特性：

·     交叉点技术能够在真正实现之后取代3D 16至64堆栈NAND闪存芯片。

·     交叉点技术能够通过进一步添加层数实现容量扩展。

·     交叉点技术采用电阻RAM（即RRAM）存储单元。

·     目前存在多种新型内存概念，包括FeRAM、PCM、CBRAM、Polymer FeRAM、MRAM、MOx-RAM、Polymer RRAM、CNT以及Molecular等等。

·     在此之中，PCM的成熟程度最高。

·     大部分RRAM方案与PCM具备类似的属性。

CBRAM也就是导电式桥接RAM，它是通过在氧化阳极与惰性阴极之间夹入一个固态电解层所构成。它也可以被称为可编程金属化单元，或者简称PMC。根据我们掌握的情况，美光公司从亚利桑那州立大学手中得到了这项技术的使用许可。

CBRAM单元通过在单元之内输送电压并测量电阻的方式实现读取。

索尼与美光双方曾经合作开发CBRAM，并在2014年于旧金山召开的国际电子设备大会（简称IEDM）上提交过一篇论文。他们的非易失性16 Gbit ReRAM设备采用铜质材料并配合27纳米制程工艺。其单元面积为6F2，读取与写入速率则分别为666 MB每秒与133 MB每秒。

Atwood在演示当中还用到了下面这幅图表，其中对于3D XPoint内存作出了令人印象深刻的说明：

Atwood在2011年闪存记忆体峰会上展示的3D交叉点内存方案示意图

其3D结构与英特尔及美光于日前公布的结论几乎完全相同。

Atwood进一步指出，这种3D交叉点内存必须采用多层单元机制（即每单元2到3 bit）。而在前几天公布的结果中，我们看到其实际为1 bit方案。他提到，该存储设备可以使用STTRAM、RRAM、CBRAM或者PCM。

该指定设备可以使用：

·     同质结多硅P/N二极管交叉点

·     异质结——P-氧化铜/N-氧化铟锌

·     肖特基二极管——P-银/N-氧化锌

·     硫化双向阈值开关（简称OTS）材料

·     电离混合传导（简称MIEC）材料

关于CBRAM，美光公司在2015年冬季分析师大会的展示文件当中有所提及。美光研发事务副总裁Scott DeBoer在谈到交叉点内存技术时指出，其正在“积极开发面向存储级内存机制的多种实现途径。”

根据我们掌握的情况，美光公司“计划在2015年与2017年将新型内存技术推向制造阶段。”

两套具体技术方案

因此，我们将迎来两套XPoint内存技术方案。我们可以想见，其中之一将以成本为主要考量、另一套则以性能为主要考量。

他表示，美光公司已经在RRAM、自旋力矩RAM（简称STTRAM）以及其它技术方面制定出发展战略，并公布了一份27纳米RRAM存储单元的图片。

RERAM论坛负责人Christie Marrian认为，这幅图片“来自美光/索尼的27纳米16 Gb‘RRAM’（即CBRAM）芯片”。

DeBoer还提到了一款配备有双向阈值开关（充当选择器）的64 Mb堆叠式相变内存方案。

美光公司内存技术与解决方案副总裁Brian Shirley在该会议上也作出了成果展示并提到交叉点内存机制，相关图片包含的是一款基于二极管的选择器方案。

配备二极管选择器的交叉点内存架构

在讨论存储级内存时，Shirley指出美光公司目前拥有两套即将推出的内存方案，且定位介于DRAM与NAND之间——分别为面向性能的选项以及面向成本的选项。演示图片中的说明文字指出：“控制器技术对于充分发挥各类内存固有特性至关重要”，而且需要“通过软件功能运用这些持久性内存机制的优势。”

其中同时提到，“存储级内存适用于大型内存系统，例如内存内数据库以及内存内计算等。”

Shirley在展示当中指出，美光公司的新加坡Fab 10代工厂将负责制造3D NAND芯片以及“新兴内存过渡”产品。

从最为乐观的角度出发，我们猜测3D XPoint内存将采用27纳米CBRAM作为内存单元，并利用肖特基二极管作为选择器。2 bit（即MLC）XPoint将在未来特定时间面世，并作为XPoint内存的性能优化版本——其可能基于STTRAM，并于2016/2017年投放市场。