Imec bemutatja az első háromdimenziós megvalósítást egy töltésszintetizált eszköz számára az MI-tárolási alkalmazásokhoz

Ábra 1 – (a) Szimmetrikus ábrázolás a három szóvezeték-alapú 3D-CCD szerkezetről: alsó gate (BG), középső gate (CG) és felső gate (TG), ahol a forrás (S) lent, a drain (D) pedig fent helyezkedik el; (b) TEM-metsszögű kép, amely három gate réteget mutat 80 nm-es szóvezeték-távolsággal.

Ábra 2 – (a) A vezérlési séma bemutatása három kapu segítségével az egysoros töltésátvitelhez egy 3D-CCD tárolóban három szóvezeték mellett; (b) A 3D-CCD működésének szimbolikus ábrázolása, amely szemlélteti az elektronátvitelt a potenciálmedencék kialakításával és elmozdításával a kapuk alatt.

Ábra 3 – (a) I-f görbék 7 különböző memória lyukak (MH) átmérőjével, mérve akár 4 MHz-ig; (b) a ciklusonként átvitt elektronok száma, amely a megfelelő I-f görbék meredekségéből származik.

– Az imec bemutatja az első 3D-s megvalósítást egy töltésszinkron képérzékelőből (CCD), amely indium-gallium-zink-oxid (IGZO) csatornát tartalmaz, és potenciált kínál az MI-tárolási alkalmazásokhoz.
– A költséghatékony gyártás, a magas bit sűrűség és a blokkosítható tulajdonság miatt a 3D-CCD egység ígéretes a Compute Express Link (CXL®) 3. típusú puffertárolóként való alkalmazásban, amely egyre fontosabbá válik a kereskedelmi MI-tárolási alkalmazásokban.
– A töltésszállítási folyamatokat sikeresen tesztelték egy három szóvezetékes struktúrában, vertikálisan integrált IGZO-csatornával.
– „A 3D-CCD egység puffertárolóként való alkalmazásának potenciálja abban rejlik, hogy alkalmas a 3D-NAND flash architektúrába történő integrációra, amit most elsőként demonstrálunk.” – Maarten Rosmeulen, az imec tárolórendszerek programigazgatója.

Ez a hét az imec, egy világszerte vezető kutatási és innovációs központ a fejlett félvezető technológiák terén, bemutatja a IEEE International Memory Workshop (IMW) 2026-on egy 3D-s implementációját egy IGZO-csatornás CCD-tárolónak – ez egy világszintű újdonság. A működőképes 3D-CCD egység vertikális memória lyukakból áll, amelyeket három szóvezetékes rétegből fúrtak, amelyek fáziskapuként működnek. A töltésszállítás (amely a biteket reprezentálja) sikeresen demonstrálható több mint 4 MHz-es átvitel sebességgel. A CCD egység feldolgozásának lehetősége egy 3D-NAND flash architektúrában költséghatékony gyártást és olyan bit sűrűséget biztosít, amely meghaladja a DRAM határait. Ez teszi a blokkosítható 3D-CCD egységet vonzó CXL® típus-3 puffertárolóvá MI alkalmazásokhoz – úgy tervezték, hogy több processzort szolgáljon ki magas sávszélességű CXL® kapcsolón keresztül nagy adatmennyiségekkel.

A MI folyamatosan növekvő memóriaigénye jelentősen nyomás alá helyezi a DRAM-alapú tárolótechnológiát, amely egyre nehezebben tudja fenntartani a költségcsökkentés trendjét bitenként. Ezért a memóriaipar keres alternatív, költséghatékonyabb tárolási megoldásokat, amelyek kiegészítik a DRAM-ot és a DRAM-alapú nagy sávszélességű memóriákat (HBM) MI-specifikus feladatokra. Egyidejűleg új tároló interfészek jelentek meg, amelyek hatékonyabb kihasználást tesznek lehetővé a főmemória erőforrások között, összehasonlítva a hagyományos DDR buszokat. Ezek közül az egyik a CXL®, egy tároló protokoll, amely magas sávszélességű CXL® kapcsolón keresztül nagy tárolómedencéket tesz elérhetővé több processzor számára. Ezek az úgynevezett CXL® típus-3 puffertárolók más specifikációkkal rendelkeznek, mint a DRAM, és ideális lehetőséget kínálnak új tároló technológiák bevezetésére.

2024-ben az imec koncepcionálisan bemutatta a 3D-CCD-t IGZO-csatornával – ígéretes kilátásokkal a CXL® típus-3 puffertárolóként való alkalmazásra – és demonstrálta a tároló működését egy 2D-s Proof-of-Concept segítségével. Maarten Rosmeulen, az imec tárolórendszerek programigazgatója: „Ennek a CCD egységnek a potenciálja a puffertárolóként abban rejlik, hogy beépíthető egy 3D-NAND flash sorozat architektúrába – ez a legköltséghatékonyabb módszer a skálázható, magas bit sűrűség eléréséhez, amely becslések szerint messze meghaladja a DRAM határait. Most elsőként mutatunk be egy működőképes 3D-implementációt egy 3 szóvezetékes struktúrával, ahol vertikális IGZO-csatornákat értek el olyan méretekben, amelyek összehasonlíthatók a 3D-NAND-hoz hasonló lyukméretekkel (azaz 80–120 nm átmérőjű memória lyukak).”

A 3D-es eszközben a CCD-nyilak – vagy stringek – vertikálisan elhelyezkedő csatornákba vannak integrálva, amelyeket egy 3D-NAND-tól inspirált „Punch-and-Plug” módszerrel fúrnak át a 3 szóvezetékes rétegen. A horizontális szóvezetékek kapuként működnek, és minden stringhez egy bit sorozatot határoznak meg. Ezek a bitek töltéseken alapulnak, amelyeket pulzáló feszültség-séma segítségével szériálisan lehet átvinni és tárolni a kapukon keresztül.

„Biztosítjuk a megbízható töltésszállítást a vertikális IGZO-csatornán keresztül, sebességgel több mint 4 MHz” – teszi hozzá Maarten Rosmeulen. „A töltések száma, amelyeket egy ciklus alatt át lehet vinni, néhány ezer, ami elegendő egy bit vagy akár több bit tárolására valódi memóriaalkalmazásokban. A byte-olvasásra képes DRAM-okkal ellentétben a mi 3D-CCD egységünk blokk szintű adat-hozzáférésre van tervezve, ami jobban megfelel a modern MI-feladatoknak. Ezek az eredmények, az életkor korlátlanságával, hosszú adatmegőrzéssel (amelyet az IGZO-csatorna anyaga biztosít) és alacsony feszültségű működéssel (a töltésalapú működés miatt), közelebb viszik a 3D-CCD technológiát a puffertároló megvalósításokhoz. Jelenlegi munkánk során azon dolgozunk, hogy növeljük a szóvezetékek számát és optimalizáljuk a 3D-CCD puffertárolónk olvasási szintjét. Most készen állunk arra, hogy közösen az iparági partnerekkel továbbfejlesszük ezt a technológiát, és teljes mértékben kihasználjuk annak potenciálját MI-tárolási alkalmazásokban.”