過於關注3D NAND閃存層數可能是一種誤導

NAND非易失性閃存存儲器作為存儲行業的突破性革新已有多年發展歷史,隨着2D NAND容量達到極限,以及晶體管越來越小,NAND的編程時間變長,擦寫次數變少,能夠將內存顆粒堆疊起來的3D NAND應運而生,可以支持在更小的空間內容納更高的存儲容量,在需要存儲海量數據的時代有着重大價值。

依託於先進工藝的3D NAND,氧化層越來越薄,面臨可靠性和穩定性的難題,未來的3D NAND將如何發展?如何正確判斷一款3D NAND的總體效率?

圖片源自長江存儲

在2020年的閃存峰會上,TechInsights高級技術研究員Joengdong Choe發表了相關演講,詳細介紹了3D NAND和其他新興存儲器的未來。TechInsights是一家對包括閃存在內的半導體產品分析公司。

3D NAND路線圖:三星最早入局,長江存儲跨級追趕

Choe介紹了2014-2023年的世界領先存儲公司的閃存路線圖,包括三星、鎧俠(原東芝存儲)、英特爾、美光、SK 海力士和長江存儲等公司的3D NAND技術發展路線。

Choe給出的路線圖顯示,三星電子最早在3D NAND開拓疆土,2013年8月初就宣布量產世界首款3D NAND,並於2015年推出32層的 3D NAND,需要注意的是,三星將該技術稱之為V-NAND而不是3D NAND。

之後,三星陸續推出48層、64層、92層的V-NAND,今年又推出了 128層的產品。

SK 海力士稍晚於三星,於2014年推出3D NAND產品,並在2015年推出了36層的3D NAND,後續按照48層、72層/76層、96層的順序發展,同樣在今年推出128層的3D NAND閃存。

美光和英特爾這一領域是合作的關係,兩者在2006年合資成立了Intel-Micron Flash Technologies(IMFT)公司,並聯合開發NAND Flash和3D XPoint。不過,兩者在合作十多年之後漸行漸遠,IMFT於2019年1月15日被美光以15億美元收購,之後英特爾也建立起了自己的NAND Flash和3D XPoint存儲器研發團隊。

另外,在路線圖中,長江存儲於2018年末推出了32層的3D NAND,2020年推出了64層的3D NAND。

從路線圖中可以發現,從90多層跨越到100多層時,時間周期會更長。

相較於其他公司,國內公司3D NAND起步較晚,直到2017年底,才有長江存儲推出國產首個真正意義上的32層3D NAND閃存。不過長江存儲發展速度較快,基於自己的Xtacking架構直接從64層跨越到128層,今年4月宣布推出128層堆棧的3D NAND閃存,從閃存層數上看,已經進入第一梯隊。

近期,長江存儲CEO楊士寧也在2020北京微電子國際研討會暨IC World學術會議上公開表示,長江存儲用3年的時間走過國際廠商6年的路,目前的技術處於全球一流水準,下一步是解決產能的問題。

值得一提的是,在中國閃存市場日前公布的Q3季度全球閃存最新報告中,三星、鎧俠、西部數據、SK 海力士、美光、英特爾六大閃存原廠佔據了全球98.4%的市場份額,在剩下的1.6%的市場中,長江存儲Q3季度的收入預計超過1%,位列全球第七。

層數並非唯一的判斷標準

儘管在各大廠商的閃存技術比拼中,閃存層數的數量是最直接的評判標準之一。

不過,Choe指出,大眾傾向於將注意力集中在閃存層數上可能是一種誤導,因為字線(帶有存儲單元的活動層)的實際數量會有很大的不同,例如可以將其他層作為偽字線,以幫助緩解由較高層數引起的問題。

Choe表示,判斷3D NAND工作效率的一種標準是用分層字線的總數除以總層數,依據這一標準,三星的擁有最優秀的設計,不過三星也沒有使用多個層或堆棧,不像其他廠商當前的閃存那樣使用「串堆棧」。

一種提高3D NAND總體效率的方法是將CMOS或控制電路(通常稱為旁路電路)放置在閃存層下面。這一方法有許多名稱,例如CuA(CMOS-under-Array)、PUC (Periphery-Under-Cell), 或者 COP (Cell-On-Periphery)。

長江存儲的設計有些特別,因為它有一些電路在閃存的頂部,而CMOS在連接到閃存之前,是在更大的工藝節點中製造的。Choe認為這種技術有潛力,但目前存在產量問題。

另外,各個公司使用工藝也不盡相同,比較典型的就是電荷擷取閃存技術(Charge trap flash,簡稱CTF)和傳統浮柵存儲器技術(Floating gate,簡稱FG)。

CTF使用氮化硅來存儲電子,而不是傳統FG中典型的摻雜多晶硅。具體而言,FG將電子存儲在柵極中,瑕疵會導致柵極和溝道之間形成短路,消耗柵極中的電荷,即每寫入一次數據,柵極電荷就會被消耗一次,當柵極電荷被消耗完時,該閃存就無法再存儲數據。而CTF的電荷是存儲在絕緣層之上,絕緣體環繞溝道,控制柵極環繞絕緣體層,理論而言寫入數據時,電荷未被消耗,可靠性更強。

Choe指出在當前的存儲芯片公司中,英特爾和美光一直使用的是傳統的浮柵級技術,而其他製造商則依靠電荷擷取閃存設計。美光直到最近發佈176層才更換新的技術,英特爾的QLC在使用浮柵技術的情況下,可以保持更好的磨損性能,但這也會影響其閃存的耐用性、可靠性、可擴展性以及其他性能優勢。

下一個十年將指向500層

Choe在演講中提到,鎧俠未來將用到的分離柵結構或分離單元結構技術也很有趣,它可以使存儲器的密度直接增加一倍,並且由於分離單元結構的半圓形形狀而擁有特別堅固的浮柵結構,具有更強的耐用性。 

Choe預計,隨着平台或堆棧數量的增加(目前最多為兩個),閃存層數將繼續增加,每個閃存芯片的存儲量也會相應增加。Choe認為,這與其他技術,例如,硅通孔(TSV),疊層封裝(PoP / PoPoP)以及向5LC / PLC的遷移一樣,都在下一個十年指向500層以上和3 TB裸片。

另外,Choe詳細說明了閃存的成本是按照每GB多少美分來計算的,這意味着未來3D閃存的架構將越來越便宜,不過2D閃存的價格依然昂貴,甚至比3D閃存貴很多倍。

談到尖端閃存技術的推進,Choe認為尖端閃存總是首先進入移動和嵌入式產品,例如5G手機是當下的主要驅動力。他還指出,2D平面閃存仍然有一些應用市場,通常將其視為低延遲SLC用作3D XPiont的存儲類內存(SCM)的替代品,如Optane或美光最近發佈的X100,儘管X100在消費市場並不常見。

目前,100層以上的3D閃存產品,目前已經發佈了SK 海力士128L Gold P31和三星128L 980 PRO,美光最近也基於176L flash發佈了Phison E18的硬盤原型。另外,西部數據和鎧俠的BiCS5和英特爾的144層產品將在明年發佈。

更好的控制器需要更高密度的閃存,未來幾年閃存將向更快和更大容量的方向發展。

本文編譯自:https://www.tomshardware.com/news/techinsights-outlines-the-future-of-3d-nand-flash

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