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过于关注3D NAND闪存层数可能是一种误导

作者:吴优
2020/11/20 17:41

NAND非易失性闪存存储器作为存储行业的突破性革新已有多年发展历史,随着2D NAND容量达到极限,以及晶体管越来越小,NAND的编程时间变长,擦写次数变少,能够将内存颗粒堆叠起来的3D NAND应运而生,可以支持在更小的空间内容纳更高的存储容量,在需要存储海量数据的时代有着重大价值。

依托于先进工艺的3D NAND,氧化层越来越薄,面临可靠性和稳定性的难题,未来的3D NAND将如何发展?如何正确判断一款3D NAND的总体效率?

过于关注3D NAND闪存层数可能是一种误导

图片源自长江存储

在2020年的闪存峰会上,TechInsights高级技术研究员Joengdong Choe发表了相关演讲,详细介绍了3D NAND和其他新兴存储器的未来。TechInsights是一家对包括闪存在内的半导体产品分析公司。

3D NAND路线图:三星最早入局,长江存储跨级追赶

Choe介绍了2014-2023年的世界领先存储公司的闪存路线图,包括三星、铠侠(原东芝存储)、英特尔、美光、SK 海力士和长江存储等公司的3D NAND技术发展路线。

过于关注3D NAND闪存层数可能是一种误导

Choe给出的路线图显示,三星电子最早在3D NAND开拓疆土,2013年8月初就宣布量产世界首款3D NAND,并于2015年推出32层的 3D NAND,需要注意的是,三星将该技术称之为V-NAND而不是3D NAND。

之后,三星陆续推出48层、64层、92层的V-NAND,今年又推出了 128层的产品。

SK 海力士稍晚于三星,于2014年推出3D NAND产品,并在2015年推出了36层的3D NAND,后续按照48层、72层/76层、96层的顺序发展,同样在今年推出128层的3D NAND闪存。

美光和英特尔这一领域是合作的关系,两者在2006年合资成立了Intel-Micron Flash Technologies(IMFT)公司,并联合开发NAND Flash和3D XPoint。不过,两者在合作十多年之后渐行渐远,IMFT于2019年1月15日被美光以15亿美元收购,之后英特尔也建立起了自己的NAND Flash和3D XPoint存储器研发团队。

另外,在路线图中,长江存储于2018年末推出了32层的3D NAND,2020年推出了64层的3D NAND。

从路线图中可以发现,从90多层跨越到100多层时,时间周期会更长。

相较于其他公司,国内公司3D NAND起步较晚,直到2017年底,才有长江存储推出国产首个真正意义上的32层3D NAND闪存。不过长江存储发展速度较快,基于自己的Xtacking架构直接从64层跨越到128层,今年4月宣布推出128层堆栈的3D NAND闪存,从闪存层数上看,已经进入第一梯队。

近期,长江存储CEO杨士宁也在2020北京微电子国际研讨会暨IC World学术会议上公开表示,长江存储用3年的时间走过国际厂商6年的路,目前的技术处于全球一流水准,下一步是解决产能的问题。

值得一提的是,在中国闪存市场日前公布的Q3季度全球闪存最新报告中,三星、铠侠、西部数据、SK 海力士、美光、英特尔六大闪存原厂占据了全球98.4%的市场份额,在剩下的1.6%的市场中,长江存储Q3季度的收入预计超过1%,位列全球第七。

层数并非唯一的判断标准

尽管在各大厂商的闪存技术比拼中,闪存层数的数量是最直接的评判标准之一。

不过,Choe指出,大众倾向于将注意力集中在闪存层数上可能是一种误导,因为字线(带有存储单元的活动层)的实际数量会有很大的不同,例如可以将其他层作为伪字线,以帮助缓解由较高层数引起的问题。

Choe表示,判断3D NAND工作效率的一种标准是用分层字线的总数除以总层数,依据这一标准,三星的拥有最优秀的设计,不过三星也没有使用多个层或堆栈,不像其他厂商当前的闪存那样使用“串堆栈”。

过于关注3D NAND闪存层数可能是一种误导

一种提高3D NAND总体效率的方法是将CMOS或控制电路(通常称为旁路电路)放置在闪存层下面。这一方法有许多名称,例如CuA(CMOS-under-Array)、PUC (Periphery-Under-Cell), 或者 COP (Cell-On-Periphery)。

长江存储的设计有些特别,因为它有一些电路在闪存的顶部,而CMOS在连接到闪存之前,是在更大的工艺节点中制造的。Choe认为这种技术有潜力,但目前存在产量问题。

另外,各个公司使用工艺也不尽相同,比较典型的就是电荷撷取闪存技术(Charge trap flash,简称CTF)和传统浮栅存储器技术(Floating gate,简称FG)。

CTF使用氮化硅来存储电子,而不是传统FG中典型的掺杂多晶硅。具体而言,FG将电子存储在栅极中,瑕疵会导致栅极和沟道之间形成短路,消耗栅极中的电荷,即每写入一次数据,栅极电荷就会被消耗一次,当栅极电荷被消耗完时,该闪存就无法再存储数据。而CTF的电荷是存储在绝缘层之上,绝缘体环绕沟道,控制栅极环绕绝缘体层,理论而言写入数据时,电荷未被消耗,可靠性更强。

过于关注3D NAND闪存层数可能是一种误导

Choe指出在当前的存储芯片公司中,英特尔和美光一直使用的是传统的浮栅级技术,而其他制造商则依靠电荷撷取闪存设计。美光直到最近发布176层才更换新的技术,英特尔的QLC在使用浮栅技术的情况下,可以保持更好的磨损性能,但这也会影响其闪存的耐用性、可靠性、可扩展性以及其他性能优势。

下一个十年将指向500层

Choe在演讲中提到,铠侠未来将用到的分离栅结构或分离单元结构技术也很有趣,它可以使存储器的密度直接增加一倍,并且由于分离单元结构的半圆形形状而拥有特别坚固的浮栅结构,具有更强的耐用性。 

Choe预计,随着平台或堆栈数量的增加(目前最多为两个),闪存层数将继续增加,每个闪存芯片的存储量也会相应增加。Choe认为,这与其他技术,例如,硅通孔(TSV),叠层封装(PoP / PoPoP)以及向5LC / PLC的迁移一样,都在下一个十年指向500层以上和3 TB裸片。

另外,Choe详细说明了闪存的成本是按照每GB多少美分来计算的,这意味着未来3D闪存的架构将越来越便宜,不过2D闪存的价格依然昂贵,甚至比3D闪存贵很多倍。

过于关注3D NAND闪存层数可能是一种误导

谈到尖端闪存技术的推进,Choe认为尖端闪存总是首先进入移动和嵌入式产品,例如5G手机是当下的主要驱动力。他还指出,2D平面闪存仍然有一些应用市场,通常将其视为低延迟SLC用作3D XPiont的存储类内存(SCM)的替代品,如Optane或美光最近发布的X100,尽管X100在消费市场并不常见。

目前,100层以上的3D闪存产品,目前已经发布了SK 海力士128L Gold P31和三星128L 980 PRO,美光最近也基于176L flash发布了Phison E18的硬盘原型。另外,西部数据和铠侠的BiCS5和英特尔的144层产品将在明年发布。

更好的控制器需要更高密度的闪存,未来几年闪存将向更快和更大容量的方向发展。

本文编译自:https://www.tomshardware.com/news/techinsights-outlines-the-future-of-3d-nand-flash

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