3D NAND還是卷到了300層

近日，三星電子宣布計劃在明年生產(chǎn)第 9 代 V-NAND 閃存，據爆料，這款閃存將采用雙層堆棧架構，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，并計劃于 2025 年上半期開(kāi)始量產(chǎn)。

早在 5 月份，據歐洲電子新聞網(wǎng)報道，西部數據和鎧俠這兩家公司的工程師正在尋求實(shí)現 8 平面 3D NAND 設備以及超過(guò) 300 字線(xiàn)的 3D NAND IC。

3D NAND 終究還是卷到了 300 層……

層數「爭霸賽」

眾所周知，固態(tài)硬盤(pán)的數據傳輸速度雖然很快，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(pán)用來(lái)容納存儲芯片的空間較為有限，容量越高的芯片可以增加硬盤(pán)的總體存儲空間，但更高的成本也拉高了硬盤(pán)的售價(jià)。

對于這個(gè)問(wèn)題，英特爾可能已經(jīng)在 3D NAND 當中找到了解決辦法。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(lèi)型，通過(guò)把內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。

平面結構的 NAND 閃存已接近其實(shí)際擴展極限，給半導體存儲器行業(yè)帶來(lái)嚴峻挑戰。新的 3D NAND 技術(shù)，垂直堆疊了多層數據存儲單元，具備卓越的精度?；谠摷夹g(shù)，可打造出存儲容量比同類(lèi) NAND 技術(shù)高達三倍的存儲設備。該技術(shù)可支持在更小的空間內容納更高存儲容量，進(jìn)而帶來(lái)很大的成本節約、能耗降低，以及大幅的性能提升以全面滿(mǎn)足眾多消費類(lèi)移動(dòng)設備和要求最嚴苛的企業(yè)部署的需求。

2007 年，隨著(zhù) 2DNAND 達到其規模極限，東芝率先提出了 3D NAND 結構概念。2013 年三星則率先推出了其所謂的「V-NAND」，也就是 3D NAND。

3D 設計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)，區別在于 FG 將存儲器存儲在導電層中，而 CTF 將電荷「捕獲」在電介質(zhì)層中。這種 3D 設計方式不僅帶來(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)和擴增產(chǎn)業(yè)線(xiàn)，10 年間推出了數代產(chǎn)品，以維護自己在 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)品執行副總裁 Scott DeBoer 與高管團隊宣布美光下一代 232 層 NAND 閃存將于 2022 年底前實(shí)現量產(chǎn)。這表明美光團隊在完善和擴大 176 層 NAND 技術(shù)應用的同時(shí)，同步在努力開(kāi)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，這項前沿技術(shù)已經(jīng)應用在英睿達（Crucial）旗下幾款固態(tài)硬盤(pán)上，其他搭載這項技術(shù)的產(chǎn)品將會(huì )陸續上市為消費者帶來(lái)更大容量、更高密度、更少能耗與更低單位存儲成本的存儲解決方案。

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

大數據、云計算等技術(shù)發(fā)展，持續提升 NAND Flash 需求，同時(shí)也不斷推動(dòng)著(zhù) NAND 技術(shù)的升級和迭代，NAND Flash 原廠(chǎng)層數競爭或將更加激烈。

300 層和 300 層的不同

SK 海力士是業(yè)界首家正在開(kāi)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，終端消費者最終能從性能和容量的提升中受益。

據 SK 海力士介紹，第 8 代 3D NAND 閃存主要運用了五個(gè)方面的技術(shù)，包括引入三重驗編程（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；自適應未選字符串預充電（AUSP），另一種將 tPROG 降低約 2% 的方法；編程虛擬串（PDS）技術(shù)，降低通道電容負載來(lái)縮短 tPROG 和 tR 的世界線(xiàn)建立時(shí)間；平面級讀取重試（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別，從而立即發(fā)出后續讀取命令，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。預計 2025 年開(kāi)始量產(chǎn)。

搶先 SK 海力士一步量產(chǎn)的是它的存儲老對手三星，韓國媒體《首爾經(jīng)濟日報》援引業(yè)內人士消息稱(chēng)，三星計劃于 2024 年量產(chǎn)超過(guò) 300 層的第 9 代 3D NAND。預計將采用雙堆疊技術(shù)生產(chǎn)，其中包括在兩個(gè)獨立過(guò)程中創(chuàng )建 NAND 存儲器，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(kāi)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，達到了 236 層，相比于 2020 年首次引入雙堆棧架構的第 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，即在 300mm 晶圓上先生產(chǎn)一個(gè) 3D NAND Flash 堆棧，然后在原有基礎上再構建另一個(gè)堆棧。

目前尚不清楚三星 300+層閃存的具體細節，比如確切層數、容量密度、閃存類(lèi)型等。按照三星規劃的路線(xiàn)圖，到了 2030 年，閃存堆疊將超過(guò) 1000 層。

鎧俠和西部數據的創(chuàng )新成果將更高容量和更高性能的 3D NAND 存儲設備成為可能。根據 eeNewsEurope 的報道，兩家工程師團隊正在攻關(guān) 8 平面 3D NAND 設備和具備超過(guò) 300 字線(xiàn)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。根據鎧俠提供的數據，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 方向的數據查詢(xún)區域減少到 41%，以實(shí)現 3.2GT/s 的接口速度。然而，這種新設計可能導致布線(xiàn)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)脈沖內感測兩個(gè)存儲單元，這使得總感測時(shí)間減少 18%，提升程序吞吐量達到 205MB/s。

通過(guò)兩種新技術(shù)，新型 NAND 顆粒實(shí)現了更高性能和更低延遲，這些技術(shù)將在未來(lái)得到更廣闊的應用。然而，八平面架構會(huì )增加 IC 和主控的復雜性，從而導致更高的開(kāi)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，鎧俠和西數聯(lián)合開(kāi)發(fā)了超過(guò) 300 層的 3D NAND 顆粒。

為了實(shí)現這一目標，聯(lián)合團隊采用金屬誘導橫向結晶技術(shù)（MLIC），通過(guò)這項技術(shù)，開(kāi)發(fā)團隊能夠在垂直存儲孔內創(chuàng )建單晶 14 微米長(cháng)的「通心粉狀"硅通道。此外，團隊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%，電導增加了 10 倍。

勢在必得的存儲高地

市場(chǎng)在變，需求在變，技術(shù)也在更迭。存儲市場(chǎng)波動(dòng)持續影響著(zhù)整個(gè)半導體行業(yè)。

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

市場(chǎng)研究機構 Yole Intelligence 最新報告顯示，NAND Flash 市場(chǎng)將在今年第三季度迎來(lái)增長(cháng)，結束近兩年的下滑趨勢。Yole Intelligence 表示，全球數據生成和存儲的需求持續增長(cháng)，新技術(shù)的引入使得 NAND Flash 市場(chǎng)的長(cháng)期前景依然看好。該報告還提到了推動(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企業(yè)原始設備制造商 (OEM) 對企業(yè)級固態(tài)硬盤(pán) (SSD) 的需求增加。這些企業(yè)對數據存儲的要求越來(lái)越高，因此采用更多的企業(yè)級 SSD 來(lái)滿(mǎn)足大規模數據處理和存儲的需求。其次，SSD 在 PC 和游戲機中的普及也是推動(dòng)市場(chǎng)增長(cháng)的因素之一。隨著(zhù)人們對快速啟動(dòng)和高效數據讀寫(xiě)的需求增加，SSD 在個(gè)人電腦和游戲機中的應用越來(lái)越廣泛。智能手機和其他移動(dòng)設備存儲容量的增加也是推動(dòng)市場(chǎng)增長(cháng)的因素之一。隨著(zhù)用戶(hù)在手機中存儲大量照片、視頻和應用程序的需求增加，手機制造商需要提供更大容量的存儲解決方案，這將推動(dòng) NAND Flash 市場(chǎng)的增長(cháng)。

根據預測，NAND 市場(chǎng)將結束連續七個(gè)季度的下滑，并在今年第三季度實(shí)現增長(cháng)。