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◆图书简介◆

《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。

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◆ 目录：◆

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

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◆ 前言：◆

原书前言

从自动化历史发端以来，长期安全保存输入和输出数据的能力，一直是人们对于机器设备（特别是对电子计算机而言）尤为强调的关键需求。

在现代电子计算机中，依据所谓“冯·诺依曼架构”发展而来，存储功能和数据处理功能是分开并明确定义的。计算机的发展变化使存储功能越发复杂，带来了运算存储器和数据存储器的分化，前者用于运算，必须快速而且具有近乎无限次的写入能力；后者用于记录操作系统、应用程序和用户数据，应该随时间推移仍然理想地保存信息，即使断电也不容有失。

在过去50年里，集成电路领域飞速发展，提供了越来越高速的处理芯片[中央处理器（CPU） ]，以及越来越高密度但相对低速储存的存储芯片，造成这两种功能之间越来越大的性能差距。因此，需要更复杂的存储层次结构来解决这个所谓的系统性能瓶颈。

人们将高速、低密度且高成本的静态随机存取存储器（SRAM）直接集成到处理器芯片中，允许对关键数据进行几乎实时传输。主存储器[动态随机存取存储器（DRAM）]暂存操作系统，通过专用高速总线连接CPU。高密度、低成本且非易失性的数据储存器则被置于具备不同接口的外部驱动器上，数据和代码从其中被下载到DRAM中以供执行。传统的数据驱动器利用磁性储存介质，被称为硬盘驱动器（Hard Disk Drive，HDD）。最近的趋势已经从HDD转向使用半导体非易失性存储器（通常是NAND闪存）的固态硬盘（Solid State Drive，SSD）。

存储器与系统性能息息相关：一方面，RAM容量已经成为个人计算机或游戏机的关键规格；另一方面，智能手机和平板电脑的型号由闪存容量来标识。全球对所有存储层次元素存储器需求量的攀升，由半导体市场趋势得到了很好印证。

这种基于半导体的系统的强劲迭代，使得愈加复杂的功能成为可能，加上高精度传感器应运而生，为大数据分析、自动驾驶、图像处理、人工智能以及机器人（仅举几例）等新应用开辟了道路。所有这些新应用生成必须被处理的数据，要求越来越多的计算能力和储存能力，推动正向反馈，促成一个可能永无止境的技术循环。物联网（Internet of Things，IoT）和工业应用也依赖于存储可用性。在此情况下，存储器通常被直接集成在微控制器的同一芯片上，以尽量减少功耗并提供更高的性能。

尽管半导体存储器在当前系统中发挥了关键作用，但我们已经意识到，关于这个专题的文献往往是碎片化的，缺乏可供初学者使用的明确参考。因此，《半导体存储与系统》试图从技术和系统的视角提供这一领域的基本知识，在第一部分中，本书概述了存储器层次结构，包含SRAM、DRAM、闪存、嵌入式存储器等广受好评的存储器件；在第二部分中，本书介绍了新兴概念，如相变存储器（PCM和3DXpoint™）、磁阻存储器（MRAM）、铁电存储器（FeRAM）和阻变存储器（RRAM）等，侧重于现状、机会点和局限性。在每一章中，作者们都提供了对于基本器件物理、制约其可靠性的机制和所使用到的技术的真知灼见。

此外，《半导体存储与系统》还对采用经典存储器层次结构的当前系统体系结构进行了细致讨论，以使其与各类应用相联系。本书探讨了储存类内存（SCM）的概念作为存储器层次结构的一种合理的修改，讨论了它的优势和挑战。最后一部分聚焦在用于人工智能的存内计算等新应用，作为克服当前系统性能和功率消耗界限的一种合理的手段。

Andrea Redaelli

Fabio Pellizzer

◆ 序言：◆

原书序

半导体工艺技术的不断发展使得集成电路（Integrated Circuit，IC）产品中晶体管集成水平不断提升。在过去的25年里，半导体工艺技术已经从20世纪90年代的亚微米工艺技术节点发展到21世纪的亚纳米工艺技术节点。如今的集成电路产品集成了数十亿个晶体管，以帮助从数据中心中使用的服务器到消费者使用的笔记本电脑和移动电话等各种设备提供动力。

半导体内存和储存技术是系统/设备的关键组件，帮助用户储存和访问关键数据位。系统内重要内存和储存元器件包括动态随机存取存储器（Dynamic Random-Access Memory，DRAM）、静态随机存取存储器（Static Random-Access Memory，SRAM）和NAND储存器（Storage）。DRAM是连接到处理元件并以极低延迟提供数据访问的器件。储存器件通常构建在非易失性闪存技术之上，比如NAND电路。

随着半导体工艺技术的进步，每一代新的DRAM和NAND产品都为最终用户以更低每比特成本，分别带来了更大的内存和储存密度。由于亚纳米工艺技术和相关光刻技术的日益复杂，尽管晶体管集成的传统步伐（即每2年晶体管增加1倍，也称为“摩尔定律”）已经放缓，但半导体设计和封装方面的各种创新，如芯粒（chiplet）和3D芯片堆叠，业已使更大的晶体管集成度成为可能。

内存和储存容量不断增长而成本更低的趋势使得系统和设备制造商能够更充分地利用系统和设备中可用的计算能力。当前一代的智能手机配备4核处理器，笔记本电脑配备高达8核处理器，台式机配备高达16核处理器，工作站和服务器配备高达64核处理器，驱使系统和设备中内存的需求增加。基于前沿处理器的服务器支持每个插槽8个内存通道，从而实现每个插槽4TB或每个双插槽服务器8TB的内存容量。前沿的服务器处理器还支持高达128条PCIE Gen4通道，可直接连接到高带宽的PCIE Gen4储存设备。游戏应用和数据中心应用中使用的图形处理单元（Graphics Processing Unit，GPU）也严重依赖于大内存容量来储存数据。新型储存类内存（Storage Class Memory，SCM）技术，如3DXPoint，可用于实现分层存储方法，其中DRAM内存托管“热”数据，具有最低访问延迟，而3DXPoint内存器件托管“冷”数据，具有更高延迟，但成本更低。与传统储存驱动器相比，基于3DXPoint的储存器件以更高的成本提供了更好的性能。

半导体内存和储存器件是用户体验的关键因素，因为内存和储存空间不足的系统/设备会导致用户体验不佳。《半导体存储与系统》深入探讨了当今使用的不同内存和储存技术细节，并展望了未来几年可能成为系统和设备一部分的先进存储技术，为读者提供了一些关键见解。

Dilip Ramachandran

AMD市场部资深总监

◆ 作者简介：◆

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。

◆ 译者简介：◆

霍宗亮，研究员，具有二十余年存储技术研发经验，在架构、集成、机理、可靠性和芯片设计等方面形成特色。发表论文百余篇，申请专利数百项。负责了我国三维存储器多个技术代的研发工作。

王颀，研究员，现在中国科学院微电子研究所工作，具有二十年以上存储技术研发经验，发表论文三十余篇，申请专利五十余项，科研领域涉及存储器电路、存储系统和可靠性算法等。

胡伟，复旦微电子毕业，现在北京大学集成电路学院从事客座研究，专注于先进存储与智能计算领域。拥有二十余年模拟集成电路设计经验，深耕先进存储电路、高速接口以及高精度信号链等芯片的开发与设计。

陈珂，工程师，现在中国科学院微电子研究所工作，具有近十年存储器外围阵列电路和模拟电路研发经验。电路研发领域涉及带隙基准、电源网络和量化电路等。

◆ 译者序：◆

译者序

半导体存储技术是现代信息社会的最重要的基石之一，从个人电子设备到云端数据中心，无一不依赖其高效、可靠的存储解决方案。《半导体存储与系统》汇集了全球顶尖半导体存储器企业及研究机构专家的智慧，系统性地梳理了半导体存储器的发展历程、核心技术及未来趋势，为读者呈现了一幅全面的技术图景。作为译者，我们有幸将这部著作引入中文世界，希望能够为国内相关领域的学者、工程师以及广大科

技爱好者提供一个重要参考。

《半导体存储与系统》从半导体存储器的发展历程入手，详细回顾了从早期的MOS存储器到现代的SRAM、DRAM、NAND闪存以及新型的非易失性存储器（如PCM、RRAM、MRAM、FeRAM等）的技术演进。每一章节都紧扣主题，深入浅出地探讨了各种存储器的原理、结构、性能特点以及应用场景。特别值得一提的是，书中不仅介绍了这些存储器的静态特性，还深入剖析了它们在动态环境下的行为表现，如可靠性、耐久性和功耗等，为读者提供了全面的技术参考。此外，《半导体存储与系统》还在系统应用层面深入探讨了存储层次结构的优化逻辑，解析了SRAM、DRAM、NAND闪存以及各种新型存储器在不同场景下的权衡与协同，为系统设计者提供了宝贵的实践指南。在翻译过程中，我们力求保持原文的准确性，同时注重语言的流畅性和可读性。面对书中大量的专业术语和技术细节，我们进行了反复的推敲和校对，以确保译文的准确无误。同时，我们保留了原书丰富的图表与数据，并对原书存在的错误加以修正，以便读者直观准确理解关键技术参数与演进趋势。

《半导体存储与系统》的引入恰逢其时。随着人工智能、物联网、自动驾驶等技术的爆发式增长，存储系统正从“附属单元”跃升为“核心引擎”。如何通过存算一体、近存计算等范式突破“冯•诺依曼瓶颈”，如何借力新材料与新架构实现性能与能效的跨越，本书均给出了前瞻性思考。同时，本书不仅适合作为半导体存储器领域的教材，也适合作为相关工程技术人员的参考书。

同时，我们也要感谢参与《半导体存储与系统》翻译和校对工作的每一个人：夏志良、靳磊、侯春源、王兴强对本书重点章节进行了校阅，给予了很多专业意见；张保、王斯宁、侯婧文、崔梦瑶、李前辉、裴青松、龚新、冯骅、彭博做了大量工作；元心悦、王薪翰、赵宇航、李禹欣参与了本书校对及整理工作，正是他们的辛勤付出和无私奉献，才使得这部译著顺利出版。

霍宗亮

选择本书的六大理由：

1. 填补国内空白：首部整合传统与新兴存储技术的全产业链指南

覆盖全面：从DRAM、NAND闪存等传统技术，到PCM、RRAM、MRAM、SCM（储存类内存）、存算一体等前沿领域，本书首次将半导体存储的全产业链技术纳入统一框架，帮助读者构建完整的知识体系。

技术纵深：不仅详解存储器的原理、结构与性能，还深入分析动态环境下的可靠性、功耗、耐久性等关键问题，为系统设计者提供“从器件到系统”的全局视角。

2. 行业顶尖专家背书，权威性与实践性并重

作者团队：两位核心作者Andrea Redaelli和Fabio Pellizzer是美光3DXpoint技术的领军人物，拥有数十年研发经验及数百项专利，书中内容凝聚了三星、美光等企业的实战经验。

名人推荐：AMD市场部资深总监Dilip Ramachandran指出，本书“为读者提供了未来存储技术的关键见解”，尤其适合应对AI、自动驾驶等领域对存储系统的核心需求。

3. 破解技术瓶颈：前瞻性突破“冯·诺依曼瓶颈”

前沿趋势：针对AI、物联网等场景对存储性能的爆炸性需求，本书系统探讨了存算一体、近存计算、3D集成等新范式，揭示如何通过新材料与新架构实现性能跃迁。

实用案例：以英特尔傲腾（3DXpoint）技术为例，解析SCM在服务器、云端和边缘计算中的实际应用，指导企业优化存储层次结构。

4. 教学与工程实践的完美结合