Изучаем микросхемы памяти Intel 3D XPoint под микроскопом

В апреле компания Intel приступила к коммерческим поставкам твердотельных накопителей в линейке Optane. От прочих SSD модели Optane отличаются тем, что вместо традиционной NAND-флеш используют энергонезависимую память, действующую по иному принципу. Разработчики назвали новый тип памяти громким именем «3D XPoint». По сути, мы имеем дело с памятью на основе изменяемого фазового состояния вещества, принцип которой предложен около 60 лет назад. Этот же принцип используется для выпуска перезаписываемых оптических дисков от CD-RW до Blu-Ray RW. Рабочий слой ячейки PRAM (Phase-change Random Access Memory), как и рабочий слой CD-RW, под воздействием нагрева (током или лазером, что не суть важно) меняет своё состояние из аморфного в кристаллическое и обратно.

Итак, Intel начала поставки SSD Optane с памятью 3D XPoint. Специалисты компании TechInsights приобрели 16-Гбайт версию Intel Optane M.2 и вскрыли чип памяти, с изображением которого предлагают ознакомиться всем желающим. Но начнём мы с общих параметров новинки.

Чип памяти представляет собой один единственный кристалл со сторонами 16,16×12,78 мм (размеры упаковки составляют 17,6×13,7 мм). Площадь кристалла равна 206,5 мм². При этом эффективность размещения памяти (по отношению к сопутствующей обвязке и интерфейсам) самая высокая в отрасли и равна 91,4 %. Для сравнения, эффективность размещения памяти в 48-слойных чипах Samsung 3D V-NAND равна 70 %, а в чипах Intel/Micron 3D FG NAND — 84,9 %.

Кристалл 16 Гбайт Xpoint Memory (TechInsights)

Тем не менее, относительные размеры ячейки 3D XPoint всё ещё несут на себе отпечаток наследия PRAM — они сравнительно велики, если сравнивать их с ячейками NAND. Плотность памяти в микросхемах 3D XPoint, которые сегодня выпускаются с использованием 20-нм техпроцесса, рана 0,62 Гбит/мм². Плотность памяти в чипах Toshiba/SanDisk и Samsung 3D 48L TLC NAND равна 2,5 Гбит/мм², в 15-нм чипах Toshiba/SanDisk 2D TLC NAND — 1,28 Гбит/мм². Зато плотность памяти 3D XPoint существенно выше плотности оперативной памяти DRAM: в 4,5 раза, если сравнивать с 20-нм DRAM, и в 3,3 раза выше по сравнению с 18-нм DRAM Samsung. Это то, что сделает память 3D XPoint интересной в виде модулей памяти.

Секция памяти 3D XPoint в разрезе под микроскопом (TechInsights)

Вскрытие микросхем 3D Xpoint также показало, как выглядят ячейки PRAM в исполнении Intel и Micron. Ячейки расположены между 4 и 5 уровнями металлических слоёв и контактируют с 4 металлическим слоем. В качестве рабочего материала ячейки назван мышьяк (As) с примесями в виде халькогенида (Se-Ge-Si). В заключение сотрудники TechInsights добавляют, что внутри чипа 3D XPoint нашлось ещё много интересного, о чём они вскоре обещают рассказать.