摘要: 前段時(shí)間首款Intel 3D XPoint Optane 系列SSD發布了(le)，有很多(duō)人(rén)都在猜測3D XPoint的(de)工作原理(lǐ)，以至于很多(duō)人(rén)用(yòng)一系列的(de)元素和(hé)術語去解釋，因此造成了(le)一定的(de)混亂，這(zhè)篇文章(zhāng)是介紹XPoint 是如何進行工作的(de)。文章(zhāng)轉自SSD PK社區(qū)。

 

      我已經看到有關3D XPoint技術討(tǎo)論的(de)一些有缺陷的(de)邏輯。有些是直接比較每個(gè)芯片與NAND閃存的(de)成本(與3D NAND相比，3D XPoint可(kě)能比NAND需要更少的(de)晶圓廠步驟)。其他(tā)人(rén)正在重複一系列術語和(hé)元素名稱，而不用(yòng)花時(shí)間來(lái)實際解釋它的(de)工作原理(lǐ)，而且太多(duō)的(de)人(rén)甚至不能正确地發音(yīn)。我的(de)計劃是解決盡可(kě)能多(duō)的(de)混亂，我希望用(yòng)這(zhè)篇文章(zhāng)，我希望你了(le)解XPoint及其底層技術是如何工作的(de)。雖然這(zhè)裏沒有提供絕對(duì)準确的(de)的(de)材料組成，但有大(dà)量證據說明(míng)了(le)這(zhè)種特定的(de)技術。

 

 

      雖然我們最初在XPoint公告事件Q＆A上被告知該技術不是基于相位變化(huà)的(de)，但絕對(duì)有相反的(de)證據，英特爾很可(kě)能不想讓産品離開包裝太早。有趣的(de)是，英特爾和(hé)美(měi)光(guāng)都在五年前就基于PCM的(de)内存發展做(zuò)了(le)簡報，幾乎所有關于這(zhè)些簡報的(de)内容完全符合我們今天在XPoint中的(de)看法。

 

 

      上述數據來(lái)自2011年的(de)一篇文章(zhāng)，可(kě)能有點過時(shí)，但他(tā)們做(zuò)的(de)很好，把一些實際數字與各種固态存儲器技術的(de)芯片級比較性能。我們還(hái)可(kě)以看到與XPoint到NAND Flash的(de)〜1000x速度和(hé)〜1000x耐久性比較。現在，這(zhè)些性能特性當然不能直接轉化(huà)爲包含這(zhè)些裸片的(de)完整SSD的(de)性能。控制器開銷和(hé)管理(lǐ)必須采取各自的(de)削減，正如我們看到的(de)第一代XPoint SSD的(de)性能所顯示的(de)Intel：

 

 

      有一些非常有聲望的(de)人(rén)在那裏唱衰，沒有基本的(de)理(lǐ)解，第一次公開可(kě)用(yòng)的(de)新技術的(de)叠代永遠(yuǎn)不會代表其最終的(de)表現能力。NAND閃存幾十年将其變成可(kě)用(yòng)的(de)SSD，而在攀升到今天我們所享受的(de)性能水(shuǐ)平之前的(de)十年之内。時(shí)間會說明(míng)XPoint是否适用(yòng)，但是鑒于Micron的(de)演示以及我們自己  觀察到的(de)Intel P4800X和(hé)Optane Memory SSD的(de)性能，我認爲這(zhè)是一個(gè)很好的(de)開始。

 

 

PCM如何工作

 

      爲了(le)了(le)解XPoint如何讀取和(hé)寫入位，我們先來(lái)看看相變材料是如何工作的(de)，爲了(le)做(zuò)到這(zhè)一點，我們需要知道什(shén)麽使得(de)材料PCM能夠在第一位置。

 

 

      相變材料通(tōng)常是準金屬的(de)合金。類金屬是與金屬和(hé)非金屬共享特性的(de)元素。它們在室溫下(xià)作爲絕緣體，當加熱(rè)時(shí)(或摻雜(zá)時(shí))作爲導體。我們已經對(duì)幾種半不同混合物(wù)的(de)合金進行了(le)幾十年的(de)試驗。硼主要用(yòng)于摻雜(zá)，而onium是不穩定和(hé)放射性的(de)，所以我們不會看到太多(duō)的(de)東西。矽對(duì)于标準晶體管和(hé)其他(tā)半導體來(lái)說非常棒，但是作爲相變材料不太适合，留下(xià)鍺(Ge)，砷(As)，銻(Sb)和(hé)碲(Te)。将這(zhè)些合并在一起産生硫族化(huà)物(wù)，在本文的(de)上下(xià)文中，其是含有碲陰離子的(de)化(huà)合物(wù)(Te是屬于周期表中硫屬元素基團的(de)唯一穩定的(de)準金屬)。一旦混合了(le)适當的(de)比例，這(zhè)些材料提供了(le)一些相當獨特的(de)性質。

 

 

      具體來(lái)說，準金屬合金具有多(duō)個(gè)穩定狀态，每個(gè)狀态都具有自己獨特的(de)電阻特性。這(zhè)些可(kě)以通(tōng)過以各種方式加熱(rè)和(hé)冷(lěng)卻材料來(lái)操縱。非晶狀态類似于玻璃，而結晶狀态更像金屬。

 

讀寫相變記憶

 

 

      好的(de)，我們來(lái)解釋一下(xià)這(zhè)裏發生了(le)什(shén)麽。電壓施加在一段硫族化(huà)物(wù)材料上。如果該材料處于非晶态(混合)狀态，則直到超過阈值電壓(V th)才開始導通(tōng)。一旦進行，随著(zhe)電壓進一步升高(gāo)，電流也(yě)會進一步升高(gāo)。由于材料現在起著(zhe)阻力的(de)作用(yòng)，它會散熱(rè)并因此增加溫度。如果保持在“設定”(1)電壓，材料達到〜350℃，其不夠熱(rè)，不能熔化(huà)，但如果溫度保持在〜100℃，則*足夠溫暖使其分(fēn)子重新結晶成晶體結構納秒。一旦形成，晶體結構的(de)行爲就像電阻器，即使在電壓被去除并且材料冷(lěng)卻之後仍然保持。一旦處于設定狀态，施加0.5V将導緻〜0。5mA(使用(yòng)上述示例)。電壓不再需要達到阈值以使材料進行導通(tōng)，其響應遵循标記爲“晶體”的(de)曲線。

 

      爲了(le)複位電池，我們施加了(le)更高(gāo)的(de)電壓，推動電流和(hé)溫度足夠高(gāo)(〜600℃)，将材料加熱(rè)到熔融狀态。這(zhè)會使晶體結構熔化(huà)。然後去除電壓并且材料快(kuài)速冷(lěng)卻，通(tōng)過結晶溫度區(qū)域太快(kuài)以形成任何晶體結構，以非晶态“凍結”。現在是“複位”(0)，并且使用(yòng)相同的(de)0.5V将導緻接近零電流。我應該指出，我們不需要幾乎這(zhè)麽高(gāo)的(de)電壓來(lái)執行讀取，因爲即使0.1V會在我們的(de)示例中使用(yòng)的(de)兩個(gè)狀态之間産生可(kě)讀的(de)電流差異。

 

      關于上述的(de)一個(gè)有趣的(de)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(kě)以通(tōng)過簡單地應用(yòng)相關的(de)電壓/時(shí)間曲線來(lái)執行設置或複位操作，而不考慮先前設置的(de)狀态。與必須以頁(KB)寫入并在甚至更大(dà)的(de)塊(MB)中擦除的(de)NAND不同，PCM數據可(kě)以被“覆蓋”地覆蓋，并且可(kě)以在不幹擾相鄰單元的(de)情況下(xià)單次重寫。

 

調整公式

 

      英特爾和(hé)美(měi)光(guāng)将讓你相信，構成XPoint的(de)東西是一個(gè)古老的(de)秘密。常用(yòng)的(de)相變合金是鍺，銻和(hé)碲的(de)2：2：5化(huà)學計量比。Ge 2 Sb 2 Te 5簡稱“GST”。與大(dà)多(duō)數合金一樣，配方可(kě)能有許多(duō)輕微的(de)變化(huà)，這(zhè)就是制造商特定的(de)秘密發揮作用(yòng)的(de)地方。也(yě)就是說，我們确實有一些關于2010 Micron演示文稿可(kě)能會被調整的(de)線索：

 

      那些開發PCM技術的(de)人(rén)會自然地微調混合物(wù)，嘗試改善性能。上面我們看到一個(gè)Micron的(de)摘要摘要，顯示銻濃度稍微增加(Sb)有助于降低複位電阻(降低所需電壓)，并減少設定操作所需的(de)時(shí)間。還(hái)有與細胞選擇相關的(de)外部因素，可(kě)能需要進一步調整比例，我們将在短時(shí)間内介紹。

 

 

      你可(kě)能認爲相變合金是如此異乎尋常，雖然你從來(lái)沒有去觀察過，但他(tā)就是這(zhè)樣展現在你的(de)面前。可(kě)重寫光(guāng)盤(CD-RW / DVD-RW)是XPoint中找到的(de)材料的(de)非常親密的(de)表兄弟(dì)。光(guāng)盤使用(yòng)銀和(hé)铟替代GST中發現的(de)鍺，這(zhè)自然改變了(le)合金的(de)性能。'空白'介質是結晶的(de)，并且通(tōng)過脈沖寫入激光(guāng)器通(tōng)過加熱(rè)點寫入凹坑。然後這(zhè)些斑點迅速冷(lěng)卻，沒有機會重結晶，形成較暗的(de)區(qū)域，随後可(kě)以将其視爲反射率的(de)差異。通(tōng)過應用(yòng)開始重結晶過程的(de)較低功率激光(guāng)器(這(zhè)些合金可(kě)以在激光(guāng)通(tōng)過該區(qū)域後繼續結晶)，擦除光(guāng)盤。其他(tā)準金屬合金變體用(yòng)于各種光(guāng)學媒體技術，旨在提高(gāo)擦除次數和(hé)其他(tā)性能特點。DVD-RAM實際上使用(yòng)GST化(huà)合物(wù)，但依賴于其與電導率相反的(de)光(guāng)學性質。

 

      注: 本文由SSD PK社區(qū)提供，如有錯誤和(hé)不足之處歡迎在留言中批評指正，如果您喜歡本文，也(yě)可(kě)以分(fēn)享給你的(de)朋友。轉載本文請務必保留原文出處，更多(duō)熱(rè)門請關注SSD PK 社區(qū)網，www.pkssd.com是有關SSD最專業的(de)社區(qū)網，提供全球有關SSD的(de)最新熱(rè)門資訊、各大(dà)廠商産品熱(rè)門評測，最新前沿技術動态、有關企業級SSD選型以及最佳實踐。

 

 

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