半导体存储与系统

《半导体存储与系统》提供了在各个工艺及系统层次的半导体存储器现状的全面概述。在介绍了市场趋势和存储应用之后，本书重点介绍了各种主流技术，详述了它们的现状、挑战和机遇，并特别关注了可微缩途径。这些述及的技术包括静态随机存取存储器（SRAM）、动态随机存取存储器（DRAM）、非易失性存储器（NVM）和NAND闪存。本书还提及了嵌入式存储器以及储存类内存（SCM）的各项必备条件和系统级需求。每一章都涵盖了物理运行机制、制造技术和可微缩性的主要挑战因素。最后，本书回顾了SCM的新兴趋势，主要关注基于相变的存储技术的优势和机遇。 《半导体存储与系统》可作为高等院校微电子学与固体电子学、电子科学与技术、集成电路科学与工程等专业的高年级本科生和研究生的教材和参考书，也可供半导体和微电子领域的从业人员参考。

Andrea Redaelli分别于2003年和2007年获得意大利米兰理工大学电子工程学士和博士学位。从2007年起，他加入意法半导体公司，从事非易失性存储器先进技术研究。从2008年到2013年，他曾担任45nm和26nm PCM工艺开发的单元方面首席工程师，首先作为Numonyx公司员工，其后又加入美光科技公司。自2014年以来，Redaelli博士一直致力于3DXpointTM技术开发，负责单元堆栈优化和前沿研究活动。Redaelli博士是50多篇论文、100多项授权专利及提交申请专利的作者和共同作者。 Fabio Pellizzer于1996年获得意大利帕多瓦大学电子工程硕士学位。于1998年加入意法半导体公司，致力于几代NOR闪存的开发。自2002年以来，他一直负责基于硫族化合物材料的相变存储器的工艺开发。自2008年3月以来，他加入Numonyx公司担任研发技术开发方面的相变存储器研发经理。于2011年5月，他加入美光科技公司，负责新存储技术开发。现在，他是美国博伊西市的3DXPoint技术部门的杰出成员和单元开发经理。他发表了60多篇论文，拥有130多项美国和欧洲授权专利。

译者序 原书序 原书前言 致谢 第1章　半导体存储器的历史回顾1 1.1　20世纪80年代初：先驱者1 1.2　20世纪90年代：DRAM 技术驱动因素4 1.3　新世纪：NAND技术驱动因素6 1.4　通用存储器的梦想8 1.5　3D集成时代9 1.5.1　垂直3D DRAM面临的挑战11 1.5.2　NAND技术中的垂直3D演化12 1.5.3　3DxP技术14 1.6　未来16 参考文献19 第2章　存储器在当今系统中的应用23 2.1　系统的定义及多样性23 2.1.1　电子系统的定义23 2.1.2　电子系统的多样性 24 2.1.3　存储器的作用 25 2.2　存储层次结构 27 2.2.1　存储分层的目的27 2.2.2　本地内存28 2.2.3　主内存29 2.2.4　固态存储31 2.2.5　打破存储层次结构33 2.3　系统中存储的架构及目的33 2.3.1　实际应用中的存储层次结构33 2.3.2　本地内存的系统使用34 2.3.3　主内存在系统上的应用36 2.3.4　固态存储在系统上的应用39 2.4　小结42 参考文献43 第3章　SRAM技术现状及前景44 3.1　引言44 3.2　SRAM位单元微缩化的挑战 45 3.2.1　6T SRAM位单元操作与分析45 3.2.2　版图和设计考虑49 3.2.3　波动性和可靠性53 3.3　在纳米微缩节点的SRAM微缩化和性能提升55 3.3.1　有源栅极上接触（COAG）工艺55 3.3.2　埋入式供电的SRAM57 3.4　新器件环境下的SRAM61 3.4.1　器件微缩到3nm之下的新架构61 3.4.2　基于纳米片的SRAM61 3.4.3　基于叉片型的SRAM62 3.4.4　基于CFET的SRAM63 3.5　SRAM的混合集成64 3.6　小结68 参考文献68 第4章　DRAM电路及工艺技术73 4.1　高带宽和低功耗DRAM的发展趋势73 4.2　电路技术73 4.2.1　核心电路75 4.2.2　数据路径78 4.2.3　输入/输出79 4.2.4　直流电源82 4.3　DRAM工艺技术84 4.3.1　单元结构84 4.3.2　单元存取晶体管86 4.3.3　单元电容器89 4.4　封装及模组91 4.4.1　DRAM封装历史91 4.4.2　模组93 4.4.3　用于服务器/PC DRAM的DIMM93 4.4.4　用于移动式DRAM的堆叠封装94 4.4.5　HBM的堆叠封装94 参考文献94 第5章　NAND闪存技术现状与展望99 5.1　引言99 5.2　NAND闪存基本原理100 5.2.1　基本的存储单元操作100 5.2.2　NAND闪存阵列架构102 5.2.3　NAND闪存阵列操作104 5.2.4　多比特操作109 5.2.5　NAND闪存可靠性111 5.3　从2D NAND到3D NAND112 5.3.1　垂直NAND阵列基础113 5.3.2　与2D NAND相比的性能和可靠性改进114 5.3.3　3D NAND独特的可靠性考虑因素116 5.3.4　3D NAND阵列结构117 5.3.5　3D NAND微缩119 5.4　3D NAND闪存的新兴应用122 5.5　小结123 参考文献124 第6章　嵌入式存储解决方案：电荷存储、阻性存储和磁性存储133 6.1　引言133 6.2　嵌入式非易失性存储的演进（传统存储）136 6.3　嵌入式非易失性存储的革命（新型存储）141 6.3.1　嵌入式FRAM143 6.3.2　嵌入式RRAM145 6.4　嵌入式PCM147 6.4.1　PCM单元的演变148 6.4.2　汽车级ePCM152 6.4.3　28nm工艺的FDSOI ePCM153 6.5　嵌入式MRAM158 6.5.1　MRAM单元演变159 6.5.2　RAM类MRAM对比NVM类MRAM162 6.5.3　嵌入式MRAM技术现状167 6.6　未来展望171 6.6.1　MRAM171 6.6.2　PCM174 参考文献176 第7章　SCM在服务器和大型系统中不断演进的作用182 7.1　引言182 7.2　非易失性存储器技术的现状184 7.2.1　前景光明的SCM技术186 7.2.2　单比特成本上的考虑187 7.2.3　SCM在内存-储存层次结构中的定位188 7.3　英特尔傲腾存储器190 7.4　SCM运用范例192 7.4.1　作为数据储存192 7.4.2　用于储存缓存192 7.4.3　作为突发缓冲器193 7.4.4　作为混合内存-储存的子系统193 7.4.5　作为持久性内存194 7.5　利用SCMM的应用程序194 7.5.1　存内数据库195 7.5.2　大型图形应用程序196 7.5.3　文件系统197 7.6　服务接口198 7.6.1　高级编程模型199 7.7　对云端的影响199 7.7.1　云端和基础设施即服务（IaaS）199 7.7.2　虚拟机占用空间200 7.7.3　 单服务器部署更多容器200 7.7.4　网络功能虚拟化（NFV）201 7.7.5　分布式计算201 7.8　未来前景201 7.8.1　嵌入式SCM202 7.8.2　存内计算203 7.9　小结203 参考文献204 第8章　3DXpoint技术基础210 8.1　分立PCM架构的历史回顾210 8.1.1　文献综述210 8.1.2　PCM阵列操作212 8.1.3　PCM性能和局限216 8.1.4　PCM应用217 8.2　3DXpoint技术：PCM低成本SCM解决方案218 8.2.1　3DXpoint阵列操作221 8.2.2　读操作222 8.2.3　编程操作222 8.2.4　OTS与PCM的要求及材料特性223 8.2.5　3DXpoint单元性能223 8.3　3DXpoint未来发展225 8.4　3DXpoint系统225 8.4.1　3DXpoint产品：储存和内存应用225 8.5　小结226 参考文献226 第9章　其他新型存储器230 9.1　引言230 9.2　导电细丝阻变RAM231 9.2.1　导电细丝阻变RAM概述231 9.2.2　关键挑战234 9.3　用于超低功耗存储器的铁电HfO2240 9.3.1　铁电存储器概述240 9.3.2　技术现状244 9.3.3　持续发展和关键挑战247 9.4　小结247 参考文献248 进一步阅读253 第10章　面向人工智能的非易失性存内计算255 10.1　引言255 10.2　用于IMC的存储器件256 10.2.1　RRAM256 10.2.2　PCM256 10.2.3　MRAM 257 10.2.4　FeRAM257 10.3　存储结构 257 10.3.1　1S1R结构259 10.3.2　1T1R结构259 10.4　计算型存储259 10.4.1　离线训练261 10.4.2　在线训练263 10.5　IMC电路非理想性265 10.6　IMC电路架构266 10.6.1　矩阵向量乘法（MVM）加速器266 10.6.2　模拟闭环加速器268 10.6.3　模拟内容可寻址存储器269 10.7　小结270 参考文献271 结语280