The Design Trinity of 3D Phase-Change Memory: Vertical Structure, Device Characteristics, and Analog In-Memory Computation = 3D 상변화 메모리 설계의 세 가지 핵심 요소: 수직 구조, 소자 특성, 아날로그 인-메모리 컴퓨팅

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This dissertation introduces a design trinity framework for three-dimensional (3D) phase-change memory (PCM) design in memory-centric computing, aiming for optimal PCM suitable for analog in-memory computing (AIMC). This framework comprehensively considers and optimizes three axes: 3D structures, device-level characteristics, and application-specific requirements. Its validity is demonstrated through two case studies that apply the framework to distinct PCM device designs.
The first case study describes a novel 2-PCM device designed to overcome a fundamental limitation of PCM, which is the inverse relationship between memory window and data retention and is critical for embedded memory application. The device is realized by serially connecting two PCMs having contrasting properties, thereby combining their respective advantages. Experimental validation using monolithically integrated devices based on GST225 and Ga–Sb–Ge demonstrated about 100× on/off ratio at high temperatures and a ten-year data retention temperature of 153℃. This back-end of line (BEOL) compatible device is applicable as a digital storage medium in high-temperature embedded systems as well as in bit-sliced AIMC platforms.
The second case study demonstrates that 3D vertical PCM (3D V-PCM) can serve as a practical foundation for AIMC and develops hardware-friendly neural network models. By optimizing each fabrication step, highly reliable 3D V-PCM devices were successfully fabricated. The 3D memory array structure inherently enables concurrent matrix transposition during MAC (Multiply-Accumulate) operations by simply adjusting input and output directions, significantly reducing memory-movement overhead. Two mixer models—V-PCMixer, which incorporates windowed patch mixing tailored to the physical dimensions of the 3D memory array, and FracMixer, which utilizes discrete fractional Fourier transforms (DFrFT) with real-valued inference—were proposed and evaluated. These results highlight the importance of co-optimizing neural network model, non-idealities and structures of 3D memory to enhance the efficiency and scalability of AIMC system
The feasibility of the proposed 3D phase-change memory design framework is demonstrated through these two case studies. Moving forward, this work anticipates expansion toward integrated design methodologies across all engineering stacks, including the design of memory arrays, peripheral circuits, and systems suitable for analog in-memory computing.

국문 초록 (Abstract)

본 학위논문은 메모리 중심 컴퓨팅을 위한 삼차원 상변화메모리 설계의 세 가지 핵심 요소와 그 프레임워크를 제시한다. 세 가지 요소는 삼차원 구조, 소자의 특성 및 어플리케이션별 맞춤 요구사항으로 이들을 통합적으로 고려하여 최적화함으로써, 아날로그 인메모리 컴퓨팅에 적합한 상변화 메모리의 설계를 목표로 한다. 본 연구는 두 가지 사례 연구를 통해 이 프레임워크를 탐색한다. 첫 번째는 상변화 메모리의 근본적인 한계를 극복하기 위해 상반되는 특성을 갖는 두 개의 상변화메모리를 삼차원 모놀리식 방식으로 집적한 새로운 2-PCM 소자를 제시한다. 두 번째는 적은 비용으로 제작 가능한 삼차원 수직 구조의 상변화메모리(3D V-PCM)를 제작 및 평가하고, 이 메모리 어레이를 구조적으로 활용하여 행렬 전치 연산을 수행할 수 있음을 보인다. 더 나아가 이러한 데이터 처리 방식과 아날로그 인메모리 컴퓨팅을 결합함으로써 효율적인 추론을 수행할 수 있는 하드웨어 친화적인 뉴럴 네트워크 모델을 제안한다.
첫 번째 사례 연구에서는 비휘발성 임베디드 메모리로써 상변화메모리의 한계를 극복하기 위한 새로운 2-PCM 소자를 제안한다. 이를 검증하기 위해 GST225와 Ga–Sb–Ge를 사용한 두 상변화메모리 소자를 모놀리식하게 집적하여 제작하고, 실험적으로 평가하였다. 이 조합은 고온에서 100배 수준의 온/오프 비율을 확보하면서도 153℃의 10년 데이터 보존 온도를 가진다. 백엔드에서 제작 가능한 이 소자는 고온 임베디드 시스템의 디지털 저장매체뿐만 아니라 비트 슬라이스 기반 아날로그 인메모리 컴퓨팅 플랫폼에도 적용 가능하다.
두 번째 사례 연구에서는 삼차원 수직 구조의 상변화메모리가 아날로그 인메모리 컴퓨팅(AIMC)을 위한 실질적인 기반 구조로 활용될 수 있음을 보이고, 이를 적용한 하드웨어 친화적인 뉴럴 네트워크 모델을 고안한다. 개별 공정 단계를 최적화하여 높은 신뢰성을 갖는 아날로그 3D V-PCM 소자를 성공적으로 제작했다. 한편, 수직 방향의 3D 메모리 어레이 구조에서 입력과 출력 방향을 조절함으로써 일반적인 메모리 어레이 상에서의 MAC 연산을 수행하는 것과 동시에 행렬 전치가 자연스럽게 가능하다. 이러한 구조적 이점과 더불어 아날로그 인메모리 컴퓨팅 방식을 적용하는 두 가지 믹서 모델을 제안하고 평가하였으며, 이를 통해 모델 구조와 메모리 아키텍처의 동시 최적화는 아날로그 인메모리 컴퓨팅 시스템의 효율성과 확장성을 높이는 데 필수적임을 확인했다.
제안한 삼차원 상변화메모리 설계 프레임워크는 두 사례를 통해 그 가능성이 실증되나 향후에는 아날로그 인메모리 컴퓨팅에 적합한 메모리 어레이, 주변 회로 및 시스템 고안을 비롯한 전 수준에 걸친 통합적 설계 방법론으로의 확장을 기대한다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Table of Contents iii
• List of Figures v
• List of Tables xi
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Overview of Phase-change memory 2
• 1.2 Physical principles and operating mechanisms of phase-change memory 6
• 1.3 Analog in-memory computing 11
• 1.4 3D PCM and In-memory computing with 3D memory arrays 15
• 1.5 Design trinity for memory centric computing 19
• 1.6 Overview of subsequent chapters 22
• 1.7 References 24
• Chapter 2. Monolithic 2-PCM 29
• 2.1 Motivation 30
• 2.2 Proposed monolithic 2-PCM devices 37
• 2.3 Candidate selection criteria 42
• 2.4 Fabrication of monolithic 2-PCM 47
• 2.5 1-PCM device evaluation 54
• 2.6 Results and Discussion 60
• 2.7 Conclusion and Perspectives 69
• 2.8 References 73
• Chapter 3. Efficient Analog Mixer 78
• 3.1 Motivation 79
• 3.2 AIMC compatible Mixer architecturer 84
• 3.3 3D-compatible analog architecture 88
• 3.4 3D Vertical phase-change memory 98
• 3.5 V-PCMixer 107
• 3.6 FracMixer 119
• 3.7 Toward advanced design 135
• 3.8 References 143
• Chapter 4. Concluding remarks 150
• 4.1 Summary of contributions 151
• 4.2 Perspectives 153
• 국문초록 155