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11.1　20世纪80年代初：先驱者11.2　20世纪90年代：DRAM 技术驱动因素41.3　新世纪：NAND技术驱动因素61.4　通用存储器的梦想81.5　3D集成时代91.5.1　垂直3D DRAM面临的挑战111.5.2　NAND技术中的垂直3D演化121.5.3　3DxP技术141.6　未来16参考文献19第2章　存储器在当今系统中的应用232.1　系统的定义及多样性232.1.1　电子系统的定义232.1.2　电子系统的多样性 242.1.3　存储器的作用 252.2　存储层次结构 272.2.1　存储分层的目的272.2.2　本地内存282.2.3　主内存292.2.4　固态存储312.2.5　打破存储层次结构332.3　系统中存储的架构及目的332.3.1　实际应用中的存储层次结构332.3.2　本地内存的系统使用342.3.3　主内存在系统上的应用362.3.4　固态存储在系统上的应用392.4　小结42参考文献43第3章　SRAM技术现状及前景443.1　引言443.2　SRAM位单元微缩化的挑战 453.2.1　6T SRAM位单元操作与分析453.2.2　版图和设计考虑493.2.3　波动性和可靠性533.3　在纳米微缩节点的SRAM微缩化和性能提升553.3.1　有源栅极上接触（COAG）工艺553.3.2　埋入式供电的SRAM573.4　新器件环境下的SRAM613.4.1　器件微缩到3nm之下的新架构613.4.2　基于纳米片的SRAM613.4.3　基于叉片型的SRAM623.4.4　基于CFET的SRAM633.5　SRAM的混合集成643.6　小结68参考文献68第4章　DRAM电路及工艺技术734.1　高带宽和低功耗DRAM的发展趋势734.2　电路技术734.2.1　核心电路754.2.2　数据路径784.2.3　输入/输出794.2.4　直流电源824.3　DRAM工艺技术844.3.1　单元结构844.3.2　单元存取晶体管864.3.3　单元电容器894.4　封装及模组914.4.1　DRAM封装历史914.4.2　模组934.4.3　用于服务器/PC DRAM的DIMM934.4.4　用于移动式DRAM的堆叠封装944.4.5　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995.1　引言995.2　NAND闪存基本原理1005.2.1　基本的存储单元操作1005.2.2　NAND闪存阵列架构1025.2.3　NAND闪存阵列操作1045.2.4　多比特操作1095.2.5　NAND闪存可靠性1115.3　从2D NAND到3D NAND1125.3.1　垂直NAND阵列基础1135.3.2　与2D NAND相比的性能和可靠性改进1145.3.3　3D NAND独特的可靠性考虑因素1165.3.4　3D NAND阵列结构1175.3.5　3D NAND微缩1195.4　3D NAND闪存的新兴应用1225.5　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1336.1　引言1336.2　嵌入式非易失性存储的演进（传统存储）1366.3　嵌入式非易失性存储的革命（新型存储）1416.3.1　嵌入式FRAM1436.3.2　嵌入式RRAM1456.4　嵌入式PCM1476.4.1　PCM单元的演变1486.4.2　汽车级ePCM1526.4.3　28nm工艺的FDSOI ePCM1536.5　嵌入式MRAM1586.5.1　MRAM单元演变1596.5.2　RAM类MRAM对比NVM类MRAM1626.5.3　嵌入式MRAM技术现状1676.6　未来展望1716.6.1　MRAM1716.6.2　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1827.1　引言1827.2　非易失性存储器技术的现状1847.2.1　前景光明的SCM技术1867.2.2　单比特成本上的考虑1877.2.3　SCM在内存-储存层次结构中的定位1887.3　英特尔傲腾存储器1907.4　SCM运用范例1927.4.1　作为数据储存1927.4.2　用于储存缓存1927.4.3　作为突发缓冲器1937.4.4　作为混合内存-储存的子系统1937.4.5　作为持久性内存1947.5　利用SCMM的应用程序1947.5.1　存内数据库1957.5.2　大型图形应用程序1967.5.3　文件系统1977.6　服务接口1987.6.1　高级编程模型1997.7　对云端的影响1997.7.1　云端和基础设施即服务（IaaS）1997.7.2　虚拟机占用空间2007.7.3　 单服务器部署更多容器2007.7.4　网络功能虚拟化（NFV）2017.7.5　分布式计算2017.8　未来前景2017.8.1　嵌入式SCM2027.8.2　存内计算2037.9　小结203参考文献204第8章　3DXpoint技术基础2108.1　分立PCM架构的历史回顾2108.1.1　文献综述2108.1.2　PCM阵列操作2128.1.3　PCM性能和局限2168.1.4　PCM应用2178.2　3DXpoint技术：PCM低成本SCM解决方案2188.2.1　3DXpoint阵列操作2218.2.2　读操作2228.2.3　编程操作2228.2.4　OTS与PCM的要求及材料特性2238.2.5　3DXpoint单元性能2238.3　3DXpoint未来发展2258.4　3DXpoint系统2258.4.1　3DXpoint产品：储存和内存应用2258.5　小结226参考文献226第9章　其他新型存储器2309.1　引言2309.2　导电细丝阻变RAM2319.2.1　导电细丝阻变RAM概述2319.2.2　关键挑战2349.3　用于超低功耗存储器的铁电HfO22409.3.1　铁电存储器概述2409.3.2　技术现状2449.3.3　持续发展和关键挑战2479.4　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25510.1　引言25510.2　用于IMC的存储器件25610.2.1　RRAM25610.2.2　PCM25610.2.3　MRAM 25710.2.4　FeRAM25710.3　存储结构 25710.3.1　1S1R结构25910.3.2　1T1R结构25910.4　计算型存储25910.4.1　离线训练26110.4.2　在线训练26310.5　IMC电路非理想性26510.6　IMC电路架构26610.6.1　矩阵向量乘法（MVM）加速器26610.6.2　模拟闭环加速器26810.6.3　模拟内容可寻址存储器26910.7　小结270参考文献271结语280