3D NAND還是卷到了300層

近日，三星電子宣布計(jì)劃在明年生產(chǎn)第 9 代 V-NAND 閃存，據(jù)爆料，這款閃存將采用雙層堆棧架構(gòu)，并超過(guò) 300 層。

同樣在 8 月，SK 海力士表示將進(jìn)一步完善 321 層 NAND 閃存，并計(jì)劃于 2025 年上半期開始量產(chǎn)。

早在 5 月份，據(jù)歐洲電子新聞網(wǎng)報(bào)道，西部數(shù)據(jù)和鎧俠這兩家公司的工程師正在尋求實(shí)現(xiàn) 8 平面 3D NAND 設(shè)備以及超過(guò) 300 字線的 3D NAND IC。

3D NAND 終究還是卷到了 300 層……

層數(shù)「爭(zhēng)霸賽」

眾所周知，固態(tài)硬盤的數(shù)據(jù)傳輸速度雖然很快，但售價(jià)和容量還都是個(gè)問(wèn)題。這種寬度為 2.5 英寸的硬盤用來(lái)容納存儲(chǔ)芯片的空間較為有限，容量越高的芯片可以增加硬盤的總體存儲(chǔ)空間，但更高的成本也拉高了硬盤的售價(jià)。

對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，英特爾可能已經(jīng)在 3D NAND 當(dāng)中找到了解決辦法。3D NAND 閃存是英特爾和美光的合資企業(yè)所研發(fā)的一種技術(shù)，是一種新興的閃存類型，通過(guò)把內(nèi)存顆粒堆疊在一起來(lái)解決 2D 或者平面 NAND 閃存帶來(lái)的限制。

平面結(jié)構(gòu)的 NAND 閃存已接近其實(shí)際擴(kuò)展極限，給半導(dǎo)體存儲(chǔ)器行業(yè)帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。新的 3D NAND 技術(shù)，垂直堆疊了多層數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，具備卓越的精度?；谠摷夹g(shù)，可打造出存儲(chǔ)容量比同類 NAND 技術(shù)高達(dá)三倍的存儲(chǔ)設(shè)備。該技術(shù)可支持在更小的空間內(nèi)容納更高存儲(chǔ)容量，進(jìn)而帶來(lái)很大的成本節(jié)約、能耗降低，以及大幅的性能提升以全面滿足眾多消費(fèi)類移動(dòng)設(shè)備和要求最嚴(yán)苛的企業(yè)部署的需求。

2007 年，隨著 2DNAND 達(dá)到其規(guī)模極限，東芝率先提出了 3D NAND 結(jié)構(gòu)概念。2013 年三星則率先推出了其所謂的「V-NAND」，也就是 3D NAND。

3D 設(shè)計(jì)引入了多晶硅和二氧化硅的交替層，并將浮柵交換為電荷陷阱閃存 (CTF)，區(qū)別在于 FG 將存儲(chǔ)器存儲(chǔ)在導(dǎo)電層中，而 CTF 將電荷「捕獲」在電介質(zhì)層中。這種 3D 設(shè)計(jì)方式不僅帶來(lái)了技術(shù)性能的提升，而且還進(jìn)一步控制了成本。

此后，三星不斷更新技術(shù)和擴(kuò)增產(chǎn)業(yè)線，10 年間推出了數(shù)代產(chǎn)品，以維護(hù)自己在 NAND 閃存市場(chǎng)的地位。其中，2020 年，三星推出了 176 層的第七代「V-NAND」，其采用了「雙堆?！辜夹g(shù)，不是一次性蝕刻所有層，而是將它們分成兩部分，然后一層一層堆疊。

2022 年，美光技術(shù)與產(chǎn)品執(zhí)行副總裁 Scott DeBoer 與高管團(tuán)隊(duì)宣布美光下一代 232 層 NAND 閃存將于 2022 年底前實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。這表明美光團(tuán)隊(duì)在完善和擴(kuò)大 176 層 NAND 技術(shù)應(yīng)用的同時(shí)，同步在努力開發(fā)下一代更先進(jìn)的 NAND 技術(shù)。

美光的 232 層 NAND 是業(yè)界的首款 232 層 3D NAND，這項(xiàng)前沿技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在英睿達(dá)（Crucial）旗下幾款固態(tài)硬盤上，其他搭載這項(xiàng)技術(shù)的產(chǎn)品將會(huì)陸續(xù)上市為消費(fèi)者帶來(lái)更大容量、更高密度、更少能耗與更低單位存儲(chǔ)成本的存儲(chǔ)解決方案。

去年 5 月美光曝光的技術(shù)路線圖顯示，232 層之后美光還將發(fā)力 2YY、3XX 與 4XX 等更高層數(shù)。

大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)發(fā)展，持續(xù)提升 NAND Flash 需求，同時(shí)也不斷推動(dòng)著 NAND 技術(shù)的升級(jí)和迭代，NAND Flash 原廠層數(shù)競(jìng)爭(zhēng)或?qū)⒏蛹ち摇?/p>

300 層和 300 層的不同

SK 海力士是業(yè)界首家正在開發(fā) 300 層以上 NAND 閃存的公司。8 月 9 日宣布了 321 層 4D NAND 樣品的發(fā)布。

這是 SK 海力士第 8 代 3D NAND 閃存，容量為 1Tb（128GB），具有三級(jí)單元（TLC）和超過(guò) 20Gb/mm^2 的位密度（bit density）。該芯片的頁(yè)容量（page size）為 16KB，擁有四個(gè) planes，接口傳輸速率為 2400MT / s，最高吞吐量為 194MB/s（相比第 7 代 238 層 3D NAND 閃存提高了 18%）。密度的提升將降低制造過(guò)程中每 tb 的成本，終端消費(fèi)者最終能從性能和容量的提升中受益。

據(jù) SK 海力士介紹，第 8 代 3D NAND 閃存主要運(yùn)用了五個(gè)方面的技術(shù)，包括引入三重驗(yàn)編程（TPGM）功能，可縮小電池閾值電壓分布，將 tPROG 減少 10%，從而提高性能；自適應(yīng)未選字符串預(yù)充電（AUSP），另一種將 tPROG 降低約 2% 的方法；編程虛擬串（PDS）技術(shù)，降低通道電容負(fù)載來(lái)縮短 tPROG 和 tR 的世界線建立時(shí)間；平面級(jí)讀取重試（PLRR）功能，允許在不終止其他平面的情況下改變平面的讀取級(jí)別，從而立即發(fā)出后續(xù)讀取命令，最終提高了服務(wù)質(zhì)量（QoS）和讀取性能。

它將采用三重堆疊技術(shù)，涉及生產(chǎn)三組獨(dú)立的 3D NAND 層，每組分別堆疊為 120 層、110 層和 91 層，然后組合成一個(gè)芯片。預(yù)計(jì) 2025 年開始量產(chǎn)。

搶先 SK 海力士一步量產(chǎn)的是它的存儲(chǔ)老對(duì)手三星，韓國(guó)媒體《首爾經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)》援引業(yè)內(nèi)人士消息稱，三星計(jì)劃于 2024 年量產(chǎn)超過(guò) 300 層的第 9 代 3D NAND。預(yù)計(jì)將采用雙堆疊技術(shù)生產(chǎn)，其中包括在兩個(gè)獨(dú)立過(guò)程中創(chuàng)建 NAND 存儲(chǔ)器，然后將它們組裝在一起。這和 SK 海力士的技術(shù)是不同的。

三星在 2022 年底就已經(jīng)開始批量生產(chǎn)采用第 8 代 V-NAND 技術(shù)的產(chǎn)品，為 1Tb（128GB）TLC 3D NAND 閃存芯片，達(dá)到了 236 層，相比于 2020 年首次引入雙堆棧架構(gòu)的第 7 代 V-NAND 技術(shù)的 176 層有了大幅度的提高。其所采用的雙堆棧架構(gòu)，即在 300mm 晶圓上先生產(chǎn)一個(gè) 3D NAND Flash 堆棧，然后在原有基礎(chǔ)上再構(gòu)建另一個(gè)堆棧。

目前尚不清楚三星 300+層閃存的具體細(xì)節(jié)，比如確切層數(shù)、容量密度、閃存類型等。按照三星規(guī)劃的路線圖，到了 2030 年，閃存堆疊將超過(guò) 1000 層。

鎧俠和西部數(shù)據(jù)的創(chuàng)新成果將更高容量和更高性能的 3D NAND 存儲(chǔ)設(shè)備成為可能。根據(jù) eeNewsEurope 的報(bào)道，兩家工程師團(tuán)隊(duì)正在攻關(guān) 8 平面 3D NAND 設(shè)備和具備超過(guò) 300 字線的 3D NAND IC。鎧俠將發(fā)表一篇論文，其中便介紹了一種八平面 1Tb 3D TLC NAND 顆粒，這款顆粒具有超過(guò) 210 個(gè)有源層和 3.2GT/s 的接口。根據(jù)鎧俠提供的數(shù)據(jù)，這款顆粒能做到 205MB/s 的程序吞吐量以及僅 40 微秒的延遲。

創(chuàng)新的八平面 1Tb 3D TLC NAND 顆粒通過(guò)減少 X 方向的數(shù)據(jù)查詢區(qū)域減少到 41%，以實(shí)現(xiàn) 3.2GT/s 的接口速度。然而，這種新設(shè)計(jì)可能導(dǎo)致布線擁塞，鎧俠通過(guò)引入混合行地址解碼器緩解了這一問(wèn)題，最大限度地減少了因擁塞導(dǎo)致的讀取延遲下降。

鎧俠還通過(guò)新型的單脈沖雙選通技術(shù)，讓單個(gè)脈沖內(nèi)感測(cè)兩個(gè)存儲(chǔ)單元，這使得總感測(cè)時(shí)間減少 18%，提升程序吞吐量達(dá)到 205MB/s。

通過(guò)兩種新技術(shù)，新型 NAND 顆粒實(shí)現(xiàn)了更高性能和更低延遲，這些技術(shù)將在未來(lái)得到更廣闊的應(yīng)用。然而，八平面架構(gòu)會(huì)增加 IC 和主控的復(fù)雜性，從而導(dǎo)致更高的開發(fā)和制造成本。如果主控芯片無(wú)法正確管理八平面顆粒，則 IC 的實(shí)際性能還可能下降。除了八平面 3D NAND IC 外，鎧俠和西數(shù)聯(lián)合開發(fā)了超過(guò) 300 層的 3D NAND 顆粒。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)采用金屬誘導(dǎo)橫向結(jié)晶技術(shù)（MLIC），通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)，開發(fā)團(tuán)隊(duì)能夠在垂直存儲(chǔ)孔內(nèi)創(chuàng)建單晶 14 微米長(zhǎng)的「通心粉狀"硅通道。此外，團(tuán)隊(duì)還利用尖端吸鎳方法消除硅中的雜質(zhì)和缺陷，提高單元陣列性能。因此讀取噪聲至少減低了 40%，電導(dǎo)增加了 10 倍。

勢(shì)在必得的存儲(chǔ)高地

市場(chǎng)在變，需求在變，技術(shù)也在更迭。存儲(chǔ)市場(chǎng)波動(dòng)持續(xù)影響著整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)。

進(jìn)入 2023 年，NAND 供應(yīng)商采取行動(dòng)重新平衡供需動(dòng)態(tài)，他們不僅減少對(duì)市場(chǎng)的出貨量，且大部分供應(yīng)商都宣布削減晶圓廠利用率或減少晶圓開工。市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu) Yole 分析稱，所有供應(yīng)商不僅削減了 2023 年資本支出，并推遲了路線圖進(jìn)程。其中，僅 NAND 資本支出預(yù)計(jì)將同比下降約 40%。Yole 指出，隨著庫(kù)存水平的正?；貧w以及 OEM 等采購(gòu)信心的恢復(fù)，將為今年晚些時(shí)候的 NAND 復(fù)蘇提供了希望。

市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu) Yole Intelligence 最新報(bào)告顯示，NAND Flash 市場(chǎng)將在今年第三季度迎來(lái)增長(zhǎng)，結(jié)束近兩年的下滑趨勢(shì)。Yole Intelligence 表示，全球數(shù)據(jù)生成和存儲(chǔ)的需求持續(xù)增長(zhǎng)，新技術(shù)的引入使得 NAND Flash 市場(chǎng)的長(zhǎng)期前景依然看好。該報(bào)告還提到了推動(dòng) NAND 市場(chǎng)發(fā)展的幾個(gè)因素。

首先是大型科技公司和傳統(tǒng)企業(yè)原始設(shè)備制造商 (OEM) 對(duì)企業(yè)級(jí)固態(tài)硬盤 (SSD) 的需求增加。這些企業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求越來(lái)越高，因此采用更多的企業(yè)級(jí) SSD 來(lái)滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)的需求。其次，SSD 在 PC 和游戲機(jī)中的普及也是推動(dòng)市場(chǎng)增長(zhǎng)的因素之一。隨著人們對(duì)快速啟動(dòng)和高效數(shù)據(jù)讀寫的需求增加，SSD 在個(gè)人電腦和游戲機(jī)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。智能手機(jī)和其他移動(dòng)設(shè)備存儲(chǔ)容量的增加也是推動(dòng)市場(chǎng)增長(zhǎng)的因素之一。隨著用戶在手機(jī)中存儲(chǔ)大量照片、視頻和應(yīng)用程序的需求增加，手機(jī)制造商需要提供更大容量的存儲(chǔ)解決方案，這將推動(dòng) NAND Flash 市場(chǎng)的增長(zhǎng)。

根據(jù)預(yù)測(cè)，NAND 市場(chǎng)將結(jié)束連續(xù)七個(gè)季度的下滑，并在今年第三季度實(shí)現(xiàn)增長(zhǎng)。