Imec presenta la prima implementazione tridimensionale di un elemento di circuito a carica per applicazioni di memoria AI

Figura 1 – (a) Rappresentazione schematica della struttura 3D-CCD basata su tre linee di parola: gate inferiore (BG), gate centrale (CG) e gate superiore (TG), con Source (S) in basso e Drain (D) in alto; (b) Immagine di sezione trasversale TEM che mostra tre strati di gate con una distanza tra le linee di parola di 80 nm.

Figura 2 – (a) Rappresentazione dello schema di controllo attraverso tre gate per il trasferimento di carica seriale in una memoria 3D-CCD con tre linee di parola; (b) Rappresentazione schematica del funzionamento del 3D-CCD, che illustra il trasferimento di elettroni attraverso la formazione e lo spostamento di pozzi di potenziale sotto i gate.

Figura 3 – (a) Curve I-f di 7 componenti con diversi diametri dei Memory Holes (MH), misurate fino a 4 MHz; (b) il numero di elettroni trasferiti per ciclo, determinato dalla pendenza delle rispettive curve I-f.

– Imec presenta la prima implementazione 3D di un sensore di immagine a carica accoppiata (CCD) con un canale in Indio-Gallio-Zinco-Ossido (IGZO), che offre potenzialità per applicazioni di memoria AI.
– Grazie alla produzione a basso costo, all'elevata densità di bit e alla proprietà di indirizzamento a blocchi, il modulo CCD 3D è molto promettente per l'uso come buffer di tipo Compute Express Link (CXL®) di livello 3, che sta assumendo un'importanza crescente nelle applicazioni di memoria AI.
– I processi di trasferimento di carica sono stati testati con successo in una struttura con tre linee di parola e un canale IGZO integrato verticalmente.
– "Il potenziale del componente CCD 3D per l'uso come buffer di memoria risiede nella sua idoneità all'integrazione in un'architettura di memoria flash NAND 3D, che ora dimostriamo per la prima volta." – Maarten Rosmeulen, direttore di programma per sistemi di memoria presso imec.

Questa settimana imec, un centro di ricerca e innovazione leader mondiale nelle tecnologie avanzate dei semiconduttori, presenta al IEEE International Memory Workshop (IMW) 2026 una implementazione 3D di un modulo di memoria CCD con canale IGZO – una novità mondiale. Il modulo CCD 3D funzionante è costituito da fori di memoria verticali, realizzati tramite un impilamento di tre linee di parola, che fungono da transistor di fase. Il trasferimento di carica (che rappresenta i bit) attraverso i gate è stato dimostrato a una velocità di oltre 4 MHz. La fattibilità della produzione del modulo CCD in un'architettura di memoria flash NAND 3D garantisce una produzione a basso costo e densità di bit che superano i limiti delle DRAM. Ciò rende il modulo CCD 3D indirizzabile a blocchi un'opzione attraente come buffer di tipo Compute Express Link (CXL®) di livello 3 per applicazioni AI – progettato per fornire più processori tramite uno switch CXL® ad alta larghezza di banda con grandi blocchi di dati.

La fame insaziabile di memoria dell'AI mette sotto pressione la tecnologia di memoria basata su DRAM, che sta incontrando sempre più difficoltà nel mantenere il trend di riduzione dei costi per bit. Per questo, l'industria della memoria cerca soluzioni alternative e più economiche, che possano integrare DRAM e High-Bandwidth Memory (HBM) basati su DRAM per carichi di lavoro specifici dell'AI. Parallelamente, sono emerse nuove interfacce di memoria che, rispetto ai tradizionali bus Double-Data-Rate (DDR), consentono un uso più efficiente delle risorse di memoria principale. Una di queste è CXL®, un protocollo di memoria progettato per mettere a disposizione grandi pool di memoria per più processori tramite uno switch CXL® ad alta larghezza di banda. Questi cosiddetti buffer di memoria di tipo CXL®-3 presentano specifiche diverse da quelle delle DRAM e offrono un'opportunità ideale per l'introduzione di nuove tecnologie di memoria.

Nel 2024, imec ha presentato concettualmente il CCD 3D con canale IGZO – con prospettive promettenti per l'uso come buffer di tipo CXL®-3 – e ha dimostrato il funzionamento della memoria attraverso un proof-of-concept 2D. Maarten Rosmeulen, direttore di programma per sistemi di memoria presso imec: "Il potenziale di questo modulo CCD per l'uso come buffer risiede nella sua capacità di essere integrato in un'architettura di memoria flash NAND 3D – il metodo più economico per raggiungere una densità di bit scalabile e elevata, stimata molto superiore ai limiti delle DRAM. Per la prima volta, mostriamo una implementazione funzionante 3D con una struttura di 3 linee di parola, in cui canali IGZO verticali raggiungono dimensioni comparabili a quelle dei NAND 3D (cioè fori di memoria con diametro di 80-120 nm)."

Nel componente 3D, i registri CCD – o stringhe – sono integrati in canali verticali realizzati tramite un processo "Punch-and-Plug" ispirato al NAND 3D, forati attraverso l'impilamento di 3 linee di parola. Le linee di parola orizzontali fungono da gate e determinano una sequenza di bit per ogni stringa. Questi bit si basano su cariche che possono essere trasferite e memorizzate in serie tramite uno schema di tensione impulsiva sui gate.

"Otteniamo un trasferimento di carica affidabile lungo il canale IGZO verticale a velocità superiori a 4 MHz," aggiunge Maarten Rosmeulen. "Il numero di cariche trasferite per ciclo è stato misurato in alcune migliaia, sufficiente per memorizzare un bit o anche più bit in applicazioni di memoria reali. A differenza delle DRAM indirizzabili a livello di byte, il nostro modulo CCD 3D è progettato per l'accesso ai dati a livello di blocco, il che lo rende più adatto ai carichi di lavoro moderni dell'AI. Questi risultati, combinati con una durata illimitata, una lunga conservazione dei dati (garantita dal materiale del canale IGZO) e un funzionamento a bassa tensione (grazie alla natura basata sulla carica del funzionamento della memoria), avvicinano la tecnologia CCD 3D alla realizzazione di buffer di memoria. Nel nostro lavoro in corso, ci concentriamo sull'aumento del numero di linee di parola e sull'ottimizzazione del livello di lettura del nostro buffer CCD 3D. Siamo pronti a portare la nostra tecnologia di componenti CCD 3D al prossimo livello insieme ai partner industriali e a sfruttare appieno il suo potenziale per applicazioni di memoria AI."