過于關(guān)注3D NAND閃存層數(shù)可能是一種誤導(dǎo)

NAND非易失性閃存存儲(chǔ)器作為存儲(chǔ)行業(yè)的突破性革新已有多年發(fā)展歷史，隨著2D NAND容量達(dá)到極限，以及晶體管越來(lái)越小，NAND的編程時(shí)間變長(zhǎng)，擦寫次數(shù)變少，能夠?qū)?nèi)存顆粒堆疊起來(lái)的3D NAND應(yīng)運(yùn)而生，可以支持在更小的空間內(nèi)容納更高的存儲(chǔ)容量，在需要存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)的時(shí)代有著重大價(jià)值。

依托于先進(jìn)工藝的3D NAND，氧化層越來(lái)越薄，面臨可靠性和穩(wěn)定性的難題，未來(lái)的3D NAND將如何發(fā)展？如何正確判斷一款3D NAND的總體效率？

圖片源自長(zhǎng)江存儲(chǔ)

在2020年的閃存峰會(huì)上，TechInsights高級(jí)技術(shù)研究員Joengdong Choe發(fā)表了相關(guān)演講，詳細(xì)介紹了3D NAND和其他新興存儲(chǔ)器的未來(lái)。TechInsights是一家對(duì)包括閃存在內(nèi)的半導(dǎo)體產(chǎn)品分析公司。

3D NAND路線圖：三星最早入局，長(zhǎng)江存儲(chǔ)跨級(jí)追趕

Choe介紹了2014-2023年的世界領(lǐng)先存儲(chǔ)公司的閃存路線圖，包括三星、鎧俠（原東芝存儲(chǔ)）、英特爾、美光、SK 海力士和長(zhǎng)江存儲(chǔ)等公司的3D NAND技術(shù)發(fā)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(chǎn)世界首款3D NAND，并于2015年推出32層的 3D NAND，需要注意的是，三星將該技術(shù)稱之為V-NAND而不是3D NAND。

之后，三星陸續(xù)推出48層、64層、92層的V-NAND，今年又推出了 128層的產(chǎn)品。

SK 海力士稍晚于三星，于2014年推出3D NAND產(chǎn)品，并在2015年推出了36層的3D NAND，后續(xù)按照48層、72層/76層、96層的順序發(fā)展，同樣在今年推出128層的3D NAND閃存。

美光和英特爾這一領(lǐng)域是合作的關(guān)系，兩者在2006年合資成立了Intel-Micron Flash Technologies（IMFT）公司，并聯(lián)合開發(fā)NAND Flash和3D XPoint。不過，兩者在合作十多年之后漸行漸遠(yuǎn)，IMFT于2019年1月15日被美光以15億美元收購(gòu)，之后英特爾也建立起了自己的NAND Flash和3D XPoint存儲(chǔ)器研發(fā)團(tuán)隊(duì)。

另外，在路線圖中，長(zhǎng)江存儲(chǔ)于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(fā)現(xiàn)，從90多層跨越到100多層時(shí)，時(shí)間周期會(huì)更長(zhǎng)。

相較于其他公司，國(guó)內(nèi)公司3D NAND起步較晚，直到2017年底，才有長(zhǎng)江存儲(chǔ)推出國(guó)產(chǎn)首個(gè)真正意義上的32層3D NAND閃存。不過長(zhǎng)江存儲(chǔ)發(fā)展速度較快，基于自己的Xtacking架構(gòu)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(shù)上看，已經(jīng)進(jìn)入第一梯隊(duì)。

近期，長(zhǎng)江存儲(chǔ)CEO楊士寧也在2020北京微電子國(guó)際研討會(huì)暨IC World學(xué)術(shù)會(huì)議上公開表示，長(zhǎng)江存儲(chǔ)用3年的時(shí)間走過國(guó)際廠商6年的路，目前的技術(shù)處于全球一流水準(zhǔn)，下一步是解決產(chǎn)能的問題。

值得一提的是，在中國(guó)閃存市場(chǎng)日前公布的Q3季度全球閃存最新報(bào)告中，三星、鎧俠、西部數(shù)據(jù)、SK 海力士、美光、英特爾六大閃存原廠占據(jù)了全球98.4%的市場(chǎng)份額，在剩下的1.6%的市場(chǎng)中，長(zhǎng)江存儲(chǔ)Q3季度的收入預(yù)計(jì)超過1%，位列全球第七。

層數(shù)并非唯一的判斷標(biāo)準(zhǔn)

盡管在各大廠商的閃存技術(shù)比拼中，閃存層數(shù)的數(shù)量是最直接的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)之一。

不過，Choe指出，大眾傾向于將注意力集中在閃存層數(shù)上可能是一種誤導(dǎo)，因?yàn)樽志€（帶有存儲(chǔ)單元的活動(dòng)層）的實(shí)際數(shù)量會(huì)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(shù)引起的問題。

Choe表示，判斷3D NAND工作效率的一種標(biāo)準(zhǔn)是用分層字線的總數(shù)除以總層數(shù)，依據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)，三星的擁有最優(yōu)秀的設(shè)計(jì)，不過三星也沒有使用多個(gè)層或堆棧，不像其他廠商當(dāng)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(zhǎng)江存儲(chǔ)的設(shè)計(jì)有些特別，因?yàn)樗幸恍╇娐吩陂W存的頂部，而CMOS在連接到閃存之前，是在更大的工藝節(jié)點(diǎn)中制造的。Choe認(rèn)為這種技術(shù)有潛力，但目前存在產(chǎn)量問題。

另外，各個(gè)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(shù)（Charge trap flash，簡(jiǎn)稱CTF）和傳統(tǒng)浮柵存儲(chǔ)器技術(shù)（Floating gate，簡(jiǎn)稱FG）。

CTF使用氮化硅來(lái)存儲(chǔ)電子，而不是傳統(tǒng)FG中典型的摻雜多晶硅。具體而言，F(xiàn)G將電子存儲(chǔ)在柵極中，瑕疵會(huì)導(dǎo)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(shù)據(jù)，柵極電荷就會(huì)被消耗一次，當(dāng)柵極電荷被消耗完時(shí)，該閃存就無(wú)法再存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。而CTF的電荷是存儲(chǔ)在絕緣層之上，絕緣體環(huán)繞溝道，控制柵極環(huán)繞絕緣體層，理論而言寫入數(shù)據(jù)時(shí)，電荷未被消耗，可靠性更強(qiáng)。

Choe指出在當(dāng)前的存儲(chǔ)芯片公司中，英特爾和美光一直使用的是傳統(tǒng)的浮柵級(jí)技術(shù)，而其他制造商則依靠電荷擷取閃存設(shè)計(jì)。美光直到最近發(fā)布176層才更換新的技術(shù)，英特爾的QLC在使用浮柵技術(shù)的情況下，可以保持更好的磨損性能，但這也會(huì)影響其閃存的耐用性、可靠性、可擴(kuò)展性以及其他性能優(yōu)勢(shì)。

下一個(gè)十年將指向500層

Choe在演講中提到，鎧俠未來(lái)將用到的分離柵結(jié)構(gòu)或分離單元結(jié)構(gòu)技術(shù)也很有趣，它可以使存儲(chǔ)器的密度直接增加一倍，并且由于分離單元結(jié)構(gòu)的半圓形形狀而擁有特別堅(jiān)固的浮柵結(jié)構(gòu)，具有更強(qiáng)的耐用性。 

Choe預(yù)計(jì)，隨著平臺(tái)或堆棧數(shù)量的增加（目前最多為兩個(gè)），閃存層數(shù)將繼續(xù)增加，每個(gè)閃存芯片的存儲(chǔ)量也會(huì)相應(yīng)增加。Choe認(rèn)為，這與其他技術(shù)，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(gè)十年指向500層以上和3 TB裸片。

另外，Choe詳細(xì)說明了閃存的成本是按照每GB多少美分來(lái)計(jì)算的，這意味著未來(lái)3D閃存的架構(gòu)將越來(lái)越便宜，不過2D閃存的價(jià)格依然昂貴，甚至比3D閃存貴很多倍。

談到尖端閃存技術(shù)的推進(jìn)，Choe認(rèn)為尖端閃存總是首先進(jìn)入移動(dòng)和嵌入式產(chǎn)品，例如5G手機(jī)是當(dāng)下的主要驅(qū)動(dòng)力。他還指出，2D平面閃存仍然有一些應(yīng)用市場(chǎng)，通常將其視為低延遲SLC用作3D XPiont的存儲(chǔ)類內(nèi)存（SCM）的替代品，如Optane或美光最近發(fā)布的X100，盡管X100在消費(fèi)市場(chǎng)并不常見。

目前，100層以上的3D閃存產(chǎn)品，目前已經(jīng)發(fā)布了SK 海力士128L Gold P31和三星128L 980 PRO，美光最近也基于176L flash發(fā)布了Phison E18的硬盤原型。另外，西部數(shù)據(jù)和鎧俠的BiCS5和英特爾的144層產(chǎn)品將在明年發(fā)布。

更好的控制器需要更高密度的閃存，未來(lái)幾年閃存將向更快和更大容量的方向發(fā)展。

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

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