摘要: 前段时间首款Intel 3D XPoint Optane 系列SSD发布了，有很多人都在猜测3D XPoint的工作原理，以至于很多人用一系列的元素和术语去解释，因此造成了一定的混乱，这篇文章是介绍XPoint 是如何进行工作的。文章转自SSD PK社区。

 

      我已经看到有关3D XPoint技术讨论的一些有缺陷的逻辑。有些是直接比较每个芯片与NAND闪存的成本(与3D NAND相比，3D XPoint可能比NAND需要更少的晶圆厂步骤)。其他人正在重复一系列术语和元素名称，而不用花时间来实际解释它的工作原理，而且太多的人甚至不能正确地发音。我的计划是解决尽可能多的混乱，我希望用这篇文章，我希望你了解XPoint及其底层技术是如何工作的。虽然这里没有提供绝对准确的的材料组成，但有大量证据说明了这种特定的技术。

 

 

      虽然我们最初在XPoint公告事件Q＆A上被告知该技术不是基于相位变化的，但绝对有相反的证据，英特尔很可能不想让产品离开包装太早。有趣的是，英特尔和美光都在五年前就基于PCM的内存发展做了简报，几乎所有关于这些简报的内容完全符合我们今天在XPoint中的看法。

 

 

      上述数据来自2011年的一篇文章，可能有点过时，但他们做的很好，把一些实际数字与各种固态存储器技术的芯片级比较性能。我们还可以看到与XPoint到NAND Flash的〜1000x速度和〜1000x耐久性比较。现在，这些性能特性当然不能直接转化为包含这些裸片的完整SSD的性能。控制器开销和管理必须采取各自的削减，正如我们看到的第一代XPoint SSD的性能所显示的Intel：

 

 

      有一些非常有声望的人在那里唱衰，没有基本的理解，第一次公开可用的新技术的迭代永远不会代表其最终的表现能力。NAND闪存几十年将其变成可用的SSD，而在攀升到今天我们所享受的性能水平之前的十年之内。时间会说明XPoint是否适用，但是鉴于Micron的演示以及我们自己  观察到的Intel P4800X和Optane Memory SSD的性能，我认为这是一个很好的开始。

 

 

PCM如何工作

 

      为了了解XPoint如何读取和写入位，我们先来看看相变材料是如何工作的，为了做到这一点，我们需要知道什么使得材料PCM能够在第一位置。

 

 

      相变材料通常是准金属的合金。类金属是与金属和非金属共享特性的元素。它们在室温下作为绝缘体，当加热时(或掺杂时)作为导体。我们已经对几种半不同混合物的合金进行了几十年的试验。硼主要用于掺杂，而onium是不稳定和放射性的，所以我们不会看到太多的东西。硅对于标准晶体管和其他半导体来说非常棒，但是作为相变材料不太适合，留下锗(Ge)，砷(As)，锑(Sb)和碲(Te)。将这些合并在一起产生硫族化物，在本文的上下文中，其是含有碲阴离子的化合物(Te是属于周期表中硫属元素基团的唯一稳定的准金属)。一旦混合了适当的比例，这些材料提供了一些相当独特的性质。

 

 

      具体来说，准金属合金具有多个稳定状态，每个状态都具有自己独特的电阻特性。这些可以通过以各种方式加热和冷却材料来操纵。非晶状态类似于玻璃，而结晶状态更像金属。

 

读写相变记忆

 

 

      好的，我们来解释一下这里发生了什么。电压施加在一段硫族化物材料上。如果该材料处于非晶态(混合)状态，则直到超过阈值电压(V th)才开始导通。一旦进行，随着电压进一步升高，电流也会进一步升高。由于材料现在起着阻力的作用，它会散热并因此增加温度。如果保持在“设定”(1)电压，材料达到〜350℃，其不够热，不能熔化，但如果温度保持在〜100℃，则*足够温暖使其分子重新结晶成晶体结构纳秒。一旦形成，晶体结构的行为就像电阻器，即使在电压被去除并且材料冷却之后仍然保持。一旦处于设定状态，施加0.5V将导致〜0。5mA(使用上述示例)。电压不再需要达到阈值以使材料进行导通，其响应遵循标记为“晶体”的曲线。

 

      为了复位电池，我们施加了更高的电压，推动电流和温度足够高(〜600℃)，将材料加热到熔融状态。这会使晶体结构熔化。然后去除电压并且材料快速冷却，通过结晶温度区域太快以形成任何晶体结构，以非晶态“冻结”。现在是“复位”(0)，并且使用相同的0.5V将导致接近零电流。我应该指出，我们不需要几乎这么高的电压来执行读取，因为即使0.1V会在我们的示例中使用的两个状态之间产生可读的电流差异。

 

      关于上述的一个有趣的事情是，在编程单元格之前不需要“擦除”，就像NAND闪存一样。对于PCM单元，我们可以通过简单地应用相关的电压/时间曲线来执行设置或复位操作，而不考虑先前设置的状态。与必须以页(KB)写入并在甚至更大的块(MB)中擦除的NAND不同，PCM数据可以被“覆盖”地覆盖，并且可以在不干扰相邻单元的情况下单次重写。

 

调整公式

 

      英特尔和美光将让你相信，构成XPoint的东西是一个古老的秘密。常用的相变合金是锗，锑和碲的2：2：5化学计量比。Ge 2 Sb 2 Te 5简称“GST”。与大多数合金一样，配方可能有许多轻微的变化，这就是制造商特定的秘密发挥作用的地方。也就是说，我们确实有一些关于2010 Micron演示文稿可能会被调整的线索：

 

      那些开发PCM技术的人会自然地微调混合物，尝试改善性能。上面我们看到一个Micron的摘要摘要，显示锑浓度稍微增加(Sb)有助于降低复位电阻(降低所需电压)，并减少设定操作所需的时间。还有与细胞选择相关的外部因素，可能需要进一步调整比例，我们将在短时间内介绍。

 

 

      你可能认为相变合金是如此异乎寻常，虽然你从来没有去观察过，但他就是这样展现在你的面前。可重写光盘(CD-RW / DVD-RW)是XPoint中找到的材料的非常亲密的表兄弟。光盘使用银和铟替代GST中发现的锗，这自然改变了合金的性能。'空白'介质是结晶的，并且通过脉冲写入激光器通过加热点写入凹坑。然后这些斑点迅速冷却，没有机会重结晶，形成较暗的区域，随后可以将其视为反射率的差异。通过应用开始重结晶过程的较低功率激光器(这些合金可以在激光通过该区域后继续结晶)，擦除光盘。其他准金属合金变体用于各种光学媒体技术，旨在提高擦除次数和其他性能特点。DVD-RAM实际上使用GST化合物，但依赖于其与电导率相反的光学性质。

 

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