Imec presenta la primera implementación tridimensional de un elemento de circuito acoplado por carga para aplicaciones de memoria de IA

Figura 1 – (a) Representación esquemática de la estructura 3D-CCD basada en tres líneas de palabra: puerta inferior (BG), puerta media (CG) y puerta superior (TG), donde la Fuente (S) está abajo y el Drenaje (D) arriba; (b) Imagen de sección transversal TEM que muestra tres capas de puerta con una separación de línea de palabra de 80 nm.

Figura 2 – (a) Representación del esquema de control a través de tres compuertas para la transferencia de carga en serie en una memoria 3D-CCD con tres líneas de palabra; (b) Representación esquemática del funcionamiento del 3D-CCD, que ilustra la transferencia de electrones mediante la formación y desplazamiento de pozos de potencial bajo las compuertas.

Figura 3 – (a) Curvas I-f de 7 componentes con diferentes diámetros de los agujeros de memoria (MH), medidos hasta 4 MHz; (b) el número de electrones transferidos por ciclo, determinado a partir de la pendiente de las curvas I-f correspondientes.

– Imec presenta la primera implementación en 3D de un sensor de imagen acoplado a carga (CCD) con un canal de óxido de indio-galio-zinc (IGZO), que ofrece potencial para aplicaciones de memoria de IA.
– Debido a su fabricación económica, alta densidad de bits y propiedad de direccionamiento por bloques, el módulo CCD en 3D es prometedor para su uso como memoria búfer Compute Express Link (CXL®) de tipo 3, que está ganando importancia en aplicaciones comerciales de memoria de IA.
– Los procesos de transferencia de carga se probaron con éxito en una estructura con tres líneas de palabra y un canal IGZO integrado verticalmente.
– "El potencial del módulo CCD en 3D para su uso como memoria búfer radica en su idoneidad para integrarse en una arquitectura de NAND flash 3D, que ahora demostramos por primera vez." – Maarten Rosmeulen, director del programa de sistemas de almacenamiento en imec.

Esta semana, imec, un centro de investigación e innovación líder mundial en tecnologías avanzadas de semiconductores, presenta en el IEEE International Memory Workshop (IMW) 2026 una implementación en 3D de un módulo de memoria CCD con canal IGZO, una novedad mundial. El módulo CCD en 3D funcional consiste en agujeros de memoria verticales perforados mediante un apilamiento de tres líneas de palabra que actúan como transistores de fase. La transferencia de carga (que representa los bits) se pudo demostrar a velocidades superiores a 4 MHz. La viabilidad de integrar el proceso del módulo CCD en una arquitectura de NAND flash 3D garantiza una fabricación rentable y densidades de bits que superan los límites de las memorias DRAM. Esto hace que el módulo CCD en 3D direccionable por bloques sea una opción atractiva como memoria búfer Compute Express Link (CXL®) de tipo 3 para aplicaciones de IA, diseñada para suministrar grandes bloques de datos a múltiples procesadores a través de un switch CXL® de alta ancho de banda.

El insaciable apetito de la IA por la memoria pone una presión significativa sobre la tecnología de memoria basada en DRAM, que cada vez tiene más dificultades para mantener la tendencia de reducción de costes por bit. Por ello, la industria de la memoria busca soluciones alternativas y más económicas que puedan complementar a la DRAM y a la memoria de alto ancho de banda basada en DRAM (HBM) para cargas de trabajo específicas de IA. Paralelamente, han surgido nuevas interfaces de memoria que permiten un uso más eficiente de los recursos de memoria principal en comparación con los buses DDR tradicionales. Una de ellas es CXL®, un protocolo de memoria diseñado para hacer disponibles grandes pools de memoria para múltiples procesadores a través de un switch CXL® de alta ancho de banda. Estos llamados buffers de memoria CXL® de tipo 3 tienen especificaciones diferentes a las de la DRAM y ofrecen una oportunidad ideal para introducir nuevas tecnologías de memoria.

En 2024, imec presentó conceptualmente el CCD en 3D con canal IGZO, con perspectivas prometedoras para su uso como memoria búfer de tipo CXL®-3, y demostró su funcionamiento mediante una prueba de concepto en 2D. Maarten Rosmeulen, director del programa de memoria en imec, comenta: "El potencial de este módulo CCD para su uso como memoria búfer radica en su capacidad para integrarse en una arquitectura de cadena de NAND flash 3D, que es la forma más económica de lograr una densidad de bits escalable y alta, que se estima supera ampliamente los límites de la DRAM. Ahora mostramos por primera vez una implementación funcional en 3D con una estructura de 3 líneas de palabra, en la que se alcanzan dimensiones de canales verticales IGZO comparables a las de la NAND 3D (es decir, agujeros de memoria con un diámetro de 80 a 120 nm)."

En este componente 3D, los registros CCD, o cadenas, están integrados en canales verticales alineados, perforados mediante un proceso "Punch-and-Plug" inspirado en la NAND 3D, a través del apilamiento de 3 líneas de palabra. Las líneas de palabra horizontales actúan como transistores de puerta y determinan una secuencia de bits para cada cadena. Estos bits se basan en cargas que se pueden transferir y almacenar en serie mediante un esquema de voltaje pulsado a través de las puertas.

"Logramos una transferencia de carga confiable a lo largo del canal IGZO vertical a velocidades superiores a 4 MHz", añade Maarten Rosmeulen. "Se midió que la cantidad de cargas transferidas por ciclo es de unos pocos miles, lo cual es suficiente para almacenar un bit o incluso varios bits en aplicaciones reales de memoria. A diferencia de las DRAM direccionables por byte, nuestro módulo CCD en 3D está diseñado para el acceso a datos a nivel de bloque, lo que es más adecuado para las cargas de trabajo modernas de IA. Estos resultados, junto con una vida útil ilimitada, una larga retención de datos (garantizada por el material del canal IGZO) y un funcionamiento a bajo voltaje (debido a la naturaleza basada en carga del funcionamiento de la memoria), acercan la tecnología CCD en 3D a las implementaciones de memorias búfer. En nuestro trabajo en curso, nos estamos centrando en aumentar el número de líneas de palabra y en optimizar el nivel de lectura de nuestro búfer CCD en 3D. Ahora estamos listos para llevar nuestra tecnología de componentes CCD en 3D al siguiente nivel junto con socios industriales y aprovechar todo su potencial para aplicaciones de memoria de IA."