摘要: 前段時(shí)間首款I(lǐng)ntel 3D XPoint Optane 系列SSD發(fā)布了，有很多人都在猜測(cè)3D XPoint的工作原理，以至于很多人用一系列的元素和術(shù)語(yǔ)去解釋，因此造成了一定的混亂，這篇文章是介紹XPoint 是如何進(jìn)行工作的。文章轉(zhuǎn)自SSD PK社區(qū)。

 

      我已經(jīng)看到有關(guān)3D XPoint技術(shù)討論的一些有缺陷的邏輯。有些是直接比較每個(gè)芯片與NAND閃存的成本(與3D NAND相比，3D XPoint可能比NAND需要更少的晶圓廠步驟)。其他人正在重復(fù)一系列術(shù)語(yǔ)和元素名稱，而不用花時(shí)間來(lái)實(shí)際解釋它的工作原理，而且太多的人甚至不能正確地發(fā)音。我的計(jì)劃是解決盡可能多的混亂，我希望用這篇文章，我希望你了解XPoint及其底層技術(shù)是如何工作的。雖然這里沒(méi)有提供絕對(duì)準(zhǔn)確的的材料組成，但有大量證據(jù)說(shuō)明了這種特定的技術(shù)。

 

 

      雖然我們最初在XPoint公告事件Q＆A上被告知該技術(shù)不是基于相位變化的，但絕對(duì)有相反的證據(jù)，英特爾很可能不想讓產(chǎn)品離開(kāi)包裝太早。有趣的是，英特爾和美光都在五年前就基于PCM的內(nèi)存發(fā)展做了簡(jiǎn)報(bào)，幾乎所有關(guān)于這些簡(jiǎn)報(bào)的內(nèi)容完全符合我們今天在XPoint中的看法。

 

 

      上述數(shù)據(jù)來(lái)自2011年的一篇文章，可能有點(diǎn)過(guò)時(shí)，但他們做的很好，把一些實(shí)際數(shù)字與各種固態(tài)存儲(chǔ)器技術(shù)的芯片級(jí)比較性能。我們還可以看到與XPoint到NAND Flash的?1000x速度和?1000x耐久性比較?，F(xiàn)在，這些性能特性當(dāng)然不能直接轉(zhuǎn)化為包含這些裸片的完整SSD的性能?？刂破鏖_(kāi)銷和管理必須采取各自的削減，正如我們看到的第一代XPoint SSD的性能所顯示的Intel：

 

 

      有一些非常有聲望的人在那里唱衰，沒(méi)有基本的理解，第一次公開(kāi)可用的新技術(shù)的迭代永遠(yuǎn)不會(huì)代表其最終的表現(xiàn)能力。NAND閃存幾十年將其變成可用的SSD，而在攀升到今天我們所享受的性能水平之前的十年之內(nèi)。時(shí)間會(huì)說(shuō)明XPoint是否適用，但是鑒于Micron的演示以及我們自己  觀察到的Intel P4800X和Optane Memory SSD的性能，我認(rèn)為這是一個(gè)很好的開(kāi)始。

 

 

PCM如何工作

 

      為了了解XPoint如何讀取和寫(xiě)入位，我們先來(lái)看看相變材料是如何工作的，為了做到這一點(diǎn)，我們需要知道什么使得材料PCM能夠在第一位置。

 

 

      相變材料通常是準(zhǔn)金屬的合金。類金屬是與金屬和非金屬共享特性的元素。它們?cè)谑覝叵伦鳛榻^緣體，當(dāng)加熱時(shí)(或摻雜時(shí))作為導(dǎo)體。我們已經(jīng)對(duì)幾種半不同混合物的合金進(jìn)行了幾十年的試驗(yàn)。硼主要用于摻雜，而onium是不穩(wěn)定和放射性的，所以我們不會(huì)看到太多的東西。硅對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)晶體管和其他半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)非常棒，但是作為相變材料不太適合，留下鍺(Ge)，砷(As)，銻(Sb)和碲(Te)。將這些合并在一起產(chǎn)生硫族化物，在本文的上下文中，其是含有碲陰離子的化合物(Te是屬于周期表中硫?qū)僭鼗鶊F(tuán)的唯一穩(wěn)定的準(zhǔn)金屬)。一旦混合了適當(dāng)?shù)谋壤?，這些材料提供了一些相當(dāng)獨(dú)特的性質(zhì)。

 

 

      具體來(lái)說(shuō)，準(zhǔn)金屬合金具有多個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，每個(gè)狀態(tài)都具有自己獨(dú)特的電阻特性。這些可以通過(guò)以各種方式加熱和冷卻材料來(lái)操縱。非晶狀態(tài)類似于玻璃，而結(jié)晶狀態(tài)更像金屬。

 

讀寫(xiě)相變記憶

 

 

      好的，我們來(lái)解釋一下這里發(fā)生了什么。電壓施加在一段硫族化物材料上。如果該材料處于非晶態(tài)(混合)狀態(tài)，則直到超過(guò)閾值電壓(V th)才開(kāi)始導(dǎo)通。一旦進(jìn)行，隨著電壓進(jìn)一步升高，電流也會(huì)進(jìn)一步升高。由于材料現(xiàn)在起著阻力的作用，它會(huì)散熱并因此增加溫度。如果保持在“設(shè)定”(1)電壓，材料達(dá)到?350℃，其不夠熱，不能熔化，但如果溫度保持在?100℃，則*足夠溫暖使其分子重新結(jié)晶成晶體結(jié)構(gòu)納秒。一旦形成，晶體結(jié)構(gòu)的行為就像電阻器，即使在電壓被去除并且材料冷卻之后仍然保持。一旦處于設(shè)定狀態(tài)，施加0.5V將導(dǎo)致?0。5mA(使用上述示例)。電壓不再需要達(dá)到閾值以使材料進(jìn)行導(dǎo)通，其響應(yīng)遵循標(biāo)記為“晶體”的曲線。

 

      為了復(fù)位電池，我們施加了更高的電壓，推動(dòng)電流和溫度足夠高(?600℃)，將材料加熱到熔融狀態(tài)。這會(huì)使晶體結(jié)構(gòu)熔化。然后去除電壓并且材料快速冷卻，通過(guò)結(jié)晶溫度區(qū)域太快以形成任何晶體結(jié)構(gòu)，以非晶態(tài)“凍結(jié)”?，F(xiàn)在是“復(fù)位”(0)，并且使用相同的0.5V將導(dǎo)致接近零電流。我應(yīng)該指出，我們不需要幾乎這么高的電壓來(lái)執(zhí)行讀取，因?yàn)榧词?.1V會(huì)在我們的示例中使用的兩個(gè)狀態(tài)之間產(chǎn)生可讀的電流差異。

 

      關(guān)于上述的一個(gè)有趣的事情是，在編程單元格之前不需要“擦除”，就像NAND閃存一樣。對(duì)于PCM單元，我們可以通過(guò)簡(jiǎn)單地應(yīng)用相關(guān)的電壓/時(shí)間曲線來(lái)執(zhí)行設(shè)置或復(fù)位操作，而不考慮先前設(shè)置的狀態(tài)。與必須以頁(yè)(KB)寫(xiě)入并在甚至更大的塊(MB)中擦除的NAND不同，PCM數(shù)據(jù)可以被“覆蓋”地覆蓋，并且可以在不干擾相鄰單元的情況下單次重寫(xiě)。

 

調(diào)整公式

 

      英特爾和美光將讓你相信，構(gòu)成XPoint的東西是一個(gè)古老的秘密。常用的相變合金是鍺，銻和碲的2：2：5化學(xué)計(jì)量比。Ge 2 Sb 2 Te 5簡(jiǎn)稱“GST”。與大多數(shù)合金一樣，配方可能有許多輕微的變化，這就是制造商特定的秘密發(fā)揮作用的地方。也就是說(shuō)，我們確實(shí)有一些關(guān)于2010 Micron演示文稿可能會(huì)被調(diào)整的線索：

 

      那些開(kāi)發(fā)PCM技術(shù)的人會(huì)自然地微調(diào)混合物，嘗試改善性能。上面我們看到一個(gè)Micron的摘要摘要，顯示銻濃度稍微增加(Sb)有助于降低復(fù)位電阻(降低所需電壓)，并減少設(shè)定操作所需的時(shí)間。還有與細(xì)胞選擇相關(guān)的外部因素，可能需要進(jìn)一步調(diào)整比例，我們將在短時(shí)間內(nèi)介紹。

 

 

      你可能認(rèn)為相變合金是如此異乎尋常，雖然你從來(lái)沒(méi)有去觀察過(guò)，但他就是這樣展現(xiàn)在你的面前?？芍貙?xiě)光盤(CD-RW / DVD-RW)是XPoint中找到的材料的非常親密的表兄弟。光盤使用銀和銦替代GST中發(fā)現(xiàn)的鍺，這自然改變了合金的性能。'空白'介質(zhì)是結(jié)晶的，并且通過(guò)脈沖寫(xiě)入激光器通過(guò)加熱點(diǎn)寫(xiě)入凹坑。然后這些斑點(diǎn)迅速冷卻，沒(méi)有機(jī)會(huì)重結(jié)晶，形成較暗的區(qū)域，隨后可以將其視為反射率的差異。通過(guò)應(yīng)用開(kāi)始重結(jié)晶過(guò)程的較低功率激光器(這些合金可以在激光通過(guò)該區(qū)域后繼續(xù)結(jié)晶)，擦除光盤。其他準(zhǔn)金屬合金變體用于各種光學(xué)媒體技術(shù)，旨在提高擦除次數(shù)和其他性能特點(diǎn)。DVD-RAM實(shí)際上使用GST化合物，但依賴于其與電導(dǎo)率相反的光學(xué)性質(zhì)。

 

      注: 本文由SSD PK社區(qū)提供，如有錯(cuò)誤和不足之處歡迎在留言中批評(píng)指正，如果您喜歡本文，也可以分享給你的朋友。轉(zhuǎn)載本文請(qǐng)務(wù)必保留原文出處，更多熱門請(qǐng)關(guān)注SSD PK 社區(qū)網(wǎng)，www.pkssd.com是有關(guān)SSD最專業(yè)的社區(qū)網(wǎng)，提供全球有關(guān)SSD的最新熱門資訊、各大廠商產(chǎn)品熱門評(píng)測(cè)，最新前沿技術(shù)動(dòng)態(tài)、有關(guān)企業(yè)級(jí)SSD選型以及最佳實(shí)踐。

 

 

溫馨提示：
請(qǐng)搜索“ICT_Architect”或“掃一掃”下面二維碼關(guān)注公眾號(hào)，獲取更多精彩內(nèi)容。