閃存，正式進(jìn)入232層時(shí)代

　　昨日晚間，閃存大廠美光正式宣布，公司的232層3D NAND Flash正式量產(chǎn)。

　　按照美光介紹，這是閃存行業(yè)*跨入兩百層。與前幾代美光NAND相比，新產(chǎn)品具有業(yè)界*的面密度，可以提供更高的容量和更高的能效，從而為從客戶端到云的數(shù)據(jù)密集型用例提供一流的支持。

　　“美光的 232 層 NAND是存儲創(chuàng)新的分水嶺，它*證明了在生產(chǎn)中將 3D NAND 擴(kuò)展到超過 200 層的能力，”美光技術(shù)和產(chǎn)品執(zhí)行副總裁 Scott DeBoer 說。“這項(xiàng)突破性技術(shù)需要廣泛的創(chuàng)新，包括創(chuàng)建高縱橫比結(jié)構(gòu)的先進(jìn)工藝能力、新型材料的進(jìn)步以及基于我們市場*的 176 層 NAND 技術(shù)的*設(shè)計(jì)增強(qiáng)。”Scott DeBoer進(jìn)一步指出。

　　除了美光以外，三星和鎧俠也都在爭先恐后的涌向兩百層的閃存。此外，也有報(bào)道指出，國內(nèi)閃存企業(yè)長江存儲也將跨過一代，直接邁向232層存儲。由此可見，屬于閃存的新一輪爭霸戰(zhàn)正式開打。

　　美光“層數(shù)”的率先突破

　　在閃存堆疊的早期，韓國巨頭三星一直是*者。但美光卻在后續(xù)的發(fā)展中迅速追上，并終于在176層閃存上實(shí)現(xiàn)了*超越。而這次232層NAND Flash的量產(chǎn)，更是將美光的*優(yōu)勢進(jìn)一步擴(kuò)大。

　　從原理上看，3D NAND Flash是通過在垂直堆棧中將多組單元相互層疊來制造的。閃存芯片中的層數(shù)越多，容量就越高。目前，所有制造商目前都在制造 100 層以上的芯片。美光則聲稱，其量產(chǎn)的232 層技術(shù)代表了世界上*進(jìn)的NAND。

　　據(jù)美光介紹，公司新的232層閃存擁有業(yè)界最快的 NAND I/O 速度——每秒 2.4 GB (GB/s)。這一速度比美光 176 層節(jié)點(diǎn)上啟用的最快接口快50%。與上一代閃存相比，232 層 NAND 還提供高達(dá) 100% 的寫入帶寬和超過 75% 的讀取帶寬提升。

　　此外，232層NAND推出全球*六平面(six-plane)TLC量產(chǎn)NAND。在所有 TLC 閃存的每個(gè)die中，其所具有的的平面(plane)是最多的，并且每個(gè)平面都具有獨(dú)立的讀取能力。美光的 232 層 NAND 還是*支持 NV-LPDDR4 的生產(chǎn)產(chǎn)品，這是一種低壓接口，與之前的 I/O 接口相比，每比特傳輸節(jié)省 30% 以上。

　　能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的速度提升，這當(dāng)然主要得益于美光在技術(shù)上的創(chuàng)新。

　　據(jù)anandtech報(bào)道，從技術(shù)角度來看，美光的232L NAND進(jìn)一步建立在美光那一代磨練出來的基本設(shè)計(jì)元素之上。因此，我們再次關(guān)注弦堆疊設(shè)計(jì)(string stacked design)，美光使用一對116層decks，高于上一代的88層。反過來，116層decks也是值得注意的，因?yàn)檫@是美光*次能夠生產(chǎn)超過100層的單一deck，這一壯舉以前僅限于三星能做到。這反過來又使美光能夠僅用兩層decks生產(chǎn)*的NAND，隨著公司推動(dòng)總層數(shù)超過300層的設(shè)計(jì)，這可能在更長時(shí)間內(nèi)是不可能的。

　　美光的 NAND 平臺繼續(xù)使用其電荷陷阱(charge-trap)、CMOS under Array (CuA) 架構(gòu)構(gòu)建，該架構(gòu)將 NAND 的大部分邏輯置于 NAND 存儲單元之下。美光長期以來一直認(rèn)為這是他們在 NAND 密度方面獲得持續(xù)優(yōu)勢的原因，而這在他們的232層 NAND上再次展現(xiàn)。美光聲稱，他們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了 14.6 Gbit/mm²的密度，比他們的 176L NAND 密度高約 43%。而且，根據(jù) Micron 的說法，密度比競爭對手的 TLC 產(chǎn)品高 35% 到 100%。如此高的密度使美光最終能夠生產(chǎn)出他們的*個(gè) 1Tbit TLC 裸片，從產(chǎn)品化的角度來看，這意味著美光現(xiàn)在還可以通過堆疊 16 個(gè) 232L 裸片來生產(chǎn) 2TB 芯片封裝。

　　與此同時(shí)，美光也一直在研究其芯片封裝的尺寸，因此雖然更大的容量意味著他們的芯片尺寸逐代增加(根據(jù)美光的密度數(shù)據(jù)，我們估計(jì)約為70.1mm ²)，他們?nèi)匀粚⑿酒�封裝縮小了 28%。因此，單芯片封裝從12mmx18mm(216mm²) 縮小到 11.5mmx13.5mm (~155mm²)。因此對于美光的下游客戶來說，美光 NAND 的更大容量和更小封裝的結(jié)合意味著設(shè)備制造商可以減少分配給 NAND 封裝的空間量，或者轉(zhuǎn)向另一個(gè)方向并嘗試塞進(jìn)更多的封裝進(jìn)入相似數(shù)量的空間。

　　此外，美光還在新產(chǎn)品的外圍邏輯上實(shí)現(xiàn)了最新一代的 ONFi。

　　ONFi 于 2021 年完成，現(xiàn)已推出*批 NAND 產(chǎn)品，這種技術(shù)將控制器-NAND 傳輸速率提高了 50%，達(dá)到 2400MT/秒。ONFi 5.0 還引入了一種新的 NV-LPDDR4 信令方法，該方法具有相同的 2400MT/s 速率，但由于它基于 LPDDR 技術(shù)，因此功耗更低。據(jù)美光公司稱，他們發(fā)現(xiàn)每比特能量傳輸節(jié)省了 30% 以上，從而線束降低了能耗。盡管與往常一樣進(jìn)行此類比較，但值得注意的是帶寬增益超過了節(jié)能(50%對30%)。

　　按照美光在投資者日的分享，未來會有五百層的NAND Flash規(guī)劃，但他們并沒有公布具體的時(shí)間表。

　　其他巨頭的亦步亦趨

　　在美光高調(diào)宣布232層閃存量產(chǎn)的同時(shí)，其他存儲巨頭也在暗中發(fā)力。

　　首先看三星方面，據(jù)韓媒businesskorea今年年初的報(bào)道，三星電子將在 2022 年底推出 200 層或更多層的第八代 NAND 閃存。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，三星已經(jīng)通過“雙堆疊”的方式獲得了 256 層技術(shù)。報(bào)道進(jìn)一步指出，三星電子將成為*家通過在 128 層單堆棧中增加 96 層來發(fā)布 224 層 NAND 閃存的芯片制造商。與 176 層芯片相比，224 層 NAND 閃存可以將生產(chǎn)力和數(shù)據(jù)傳輸速度提高 30%。而這背后的技術(shù)支柱則是來自三星V-NAND技術(shù)。

　　三星表示，自2013年推出以來，V-NAND一直是存儲業(yè)內(nèi)最成功的技術(shù)之一。它不僅僅是在越來越寬的小城市街道上一個(gè)接一個(gè)地延伸存儲芯片，而是使打開一扇相當(dāng)于摩天大樓存儲設(shè)計(jì)的大門，重塑了這個(gè)行業(yè)!三星進(jìn)一步指出，在從 100+ 層擴(kuò)展到 200+ 層的過程中，他們希望將其*的 V-NAND 摩天大樓彼此堆疊(由絕緣層隔開)，這正是上面說的“128+96”的設(shè)計(jì)方式。按照三星預(yù)計(jì)，這種所謂的串堆疊可能是推動(dòng) V-NAND 向前發(fā)展的最有效方式。當(dāng)然，額外的 3D 工藝改進(jìn)改進(jìn)也是需要的。

　　相關(guān)報(bào)道也指出，三星新技術(shù)的存儲密度較之上一代增加了40%左右。V-NAND V8閃存的單核容量也從之前的512Gbit翻倍到1Tbit，性能也更強(qiáng)。IO接口速率則直接從2Gbps提升至2.4Gbps，性能更兼容最新的PCIe 5.0標(biāo)準(zhǔn)。得益于更大的存儲容量。V-NAND V8閃存的厚度還是可以控制在合理的水平，封裝512GB容量不超過0.8。

　　在三星以外，另一家韓國巨頭SK Hynix也被報(bào)道也在追求200+層的閃存。相關(guān)報(bào)道指出，SK海力士有望在2023年推出其200+層的產(chǎn)品，但從他們官方，我們目前還沒有任何相關(guān)信息傳出。不過從公司更早之前的報(bào)道可以看到，4D NAND Flash技術(shù)也許會是SK海力士征服這個(gè)市場的“殺手锏”。

　　SK海力士表示，3D-NAND具有存儲容量隨著通過三維堆疊堆疊的層數(shù)的增加而增加的結(jié)構(gòu)。3D-NAND使用堆疊多層氧化物-氮化物的方法，在其上形成稱為“plug”的垂直深孔，然后在其中形成由氧化物-氮化物-氧化物制成的存儲器件。通過這種方法，可以通過少量的工藝同時(shí)形成大量的細(xì)胞。在 3D-NAND 中，電流流過位于圓柱形單元中心的多晶硅通道，并根據(jù)存儲在氮化硅中的電荷類型存儲編程和擦除信息。

　　在SK海力士看來，雖然3D-NAND 的核心技術(shù)是實(shí)現(xiàn)更高層數(shù)的三維堆疊，這在過去幾代了發(fā)展也不錯(cuò)，但為了在3D-NAND之后進(jìn)一步*化存儲容量，SK海力士開發(fā)了一種4D-NAND，可以使芯片尺寸更小。從技術(shù)上看，4D NAND就是在3D NAND單元下方形成外圍電路，以消除外圍電路占用的面積，從而*限度地提高存儲容量并降低NAND閃存的成本。

　　在更早之前的2019年，SK海力士曾經(jīng)做過非常大膽的預(yù)測，那就是到2025年推出500 層堆疊產(chǎn)品，到2023年，更是將其4D NAND Flash堆疊提升到800+。但從目前看來，這實(shí)現(xiàn)起來似乎有點(diǎn)困難。

　　今年早些時(shí)候，西部數(shù)據(jù)與合作伙伴 Kioxia 也分享了他們的閃存路線圖。據(jù)介紹，該公司計(jì)劃很快推出其第 6 代 BiCS，它將在 TLC 和 QLC 配置中具有 162 層。他們同時(shí)還指出，公司即將推出的具有超過 200 層的 BiCS+ 內(nèi)存，該內(nèi)存將于 2024 年推出。與 BiCS6 相比，它的每個(gè)晶圓的位數(shù)將增加 55%，傳輸速度提高 60%，寫入速度提高 15%。

　　在去年九月份接受半導(dǎo)體行業(yè)觀察等記者采訪的時(shí)候，鎧俠方面曾經(jīng)表示，從162 層閃存開始，公司開始采用CMOS電路配置在存儲陣列下方的CUA結(jié)構(gòu)。據(jù)了解，這種設(shè)計(jì)的芯片厚度會大于CAN結(jié)構(gòu)，但鎧俠表示，從單片晶圓中產(chǎn)出的芯片數(shù)量的增加可以彌補(bǔ)生產(chǎn)時(shí)間變長的影響。面向未來鎧俠后續(xù)還將引入CBA結(jié)構(gòu)，即CMOS/存儲陣列鍵合，存儲陣列和周邊電路會分別生產(chǎn)。最終，將兩片晶圓鍵合在一起以形成一個(gè)存儲器芯片。除此以外，PLC和Twin BiCS也是鎧俠提升平面存儲密度的重要途徑。

　　所謂PLC，是penta level cell的簡稱，這是一種存儲5電位的設(shè)計(jì)。但鎧俠并不滿足于此，在之前的學(xué)術(shù)會議上，鎧俠還談到了存儲6電位的HLC(hexa level cell)和存儲8電位的OLC(octa level cell)。

　　至于Twin BiCS，則是鎧俠在2019年推出一個(gè)閃存新技術(shù)。據(jù)介紹，這是全球*3D半圓形分裂浮柵極閃存單元。其使用的技術(shù)主要有半圓形、分裂、浮柵極，簡單來說就是將傳統(tǒng)的浮柵極分裂為兩個(gè)對稱的半圓形柵極，利用曲率效應(yīng)提高閃存P/E編程/擦除過程中的性能。

　　按照鎧俠介紹，他們計(jì)劃在未來十年內(nèi)構(gòu)建 500 層以上的 NAND Flash。

　　此外，有報(bào)道指出，國內(nèi)閃存新秀長江存儲的閃存層數(shù)也會直接從128層躍升到232層，并于今年年底量產(chǎn)。關(guān)于這個(gè)消息，并沒有辦法求證。我們僅將其列舉在此，以供大家參考。

　　NAND Flash何去何從？

　　從上文的介紹可以看到，自閃存進(jìn)入了3D時(shí)代，圍繞在層數(shù)的競爭正在愈演愈烈，甚至有專家預(yù)研，未來甚至可能會出現(xiàn)1000層的3D NAND Flash。但正如鎧俠在接受半導(dǎo)體行業(yè)觀察采訪的時(shí)候所說，這種高層數(shù)閃存的出現(xiàn)，會增加閃存的制造時(shí)間和成本，這也是他們探索橫向發(fā)展3D 閃存的原因。

　　歐洲知名機(jī)構(gòu)imec也表示，為了維持 NAND-Flash 路線圖，一些主要廠商最近宣布將層數(shù)進(jìn)一步增加到 500 層或更多。按照這個(gè)趨勢線，這個(gè)數(shù)字將在十年結(jié)束前增加到 1000。他們也同意，暴增的層數(shù)會帶來更高的處理復(fù)雜性，也會挑戰(zhàn)沉積和蝕刻工藝，并導(dǎo)致應(yīng)力在層內(nèi)積聚。這也是類似三星這樣的NAND-Flash 制造商最近開始將層數(shù)分成兩(或更多)層，并將單獨(dú)處理的層堆疊在一起的原因。

　　但在他們看來，在更遙遠(yuǎn)的未來，預(yù)計(jì)我們將需要更多顛覆性的“后 NAND”創(chuàng)新來繼續(xù)實(shí)現(xiàn)閃存的密度縮放，從而為進(jìn)入Tbit/mm²時(shí)代做準(zhǔn)備�；�于這樣的考慮， imec將GAA NAND-Flash 納入了路線圖。(具體參考我們之前的文章)

　　從很多的報(bào)道可以看到，各種新型存儲也將有望在未來扮演替代者的角色。不過短期看來，NAND Flash還將是存儲世界的重要組成，這是毫無疑問的。