3D NAND還是卷到了300層

作者：米樂

近日，三星電子宣布計劃在明年生產第 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 300 層。

同樣在8月，SK 海力士表示將進一步完善 321 層 NAND 閃存，并計劃于 2025 年上半期開始量產。

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

3D NAND終究還是卷到了300層……

?01、層數“爭霸賽”

眾所周知，固態(tài)硬盤的數據傳輸速度雖然很快，但售價和容量還都是個問題。這種寬度為2.5英寸的硬盤用來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的總體存儲空間，但更高的成本也拉高了硬盤的售價。

對于這個問題，英特爾可能已經在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，是一種新興的閃存類型，通過把內存顆粒堆疊在一起來解決2D或者平面NAND閃存帶來的限制。

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

2007年，隨著2DNAND達到其規(guī)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(qū)別在于FG將存儲器存儲在導電層中，而CTF將電荷“捕獲”在電介質層中。這種3D設計方式不僅帶來了技術性能的提升，而且還進一步控制了成本。

此后，三星不斷更新技術和擴增產業(yè)線，10年間推出了數代產品，以維護自己在NAND閃存市場的地位。其中，2020年，三星推出了176層的第七代“V-NAND”，其采用了“雙堆棧”技術，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，美光技術與產品執(zhí)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 年底前實現(xiàn)量產。這表明美光團隊在完善和擴大 176 層 NAND 技術應用的同時，同步在努力開發(fā)下一代更先進的 NAND 技術。

美光的232 層 NAND是業(yè)界的首款232 層 3D NAND ，這項前沿技術已經應用在英睿達（Crucial）旗下幾款固態(tài)硬盤上，其他搭載這項技術的產品將會陸續(xù)上市為消費者帶來更大容量、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。

大數據、云計算等技術發(fā)展，持續(xù)提升NAND Flash需求，同時也不斷推動著NAND技術的升級和迭代，NAND Flash原廠層數競爭或將更加激烈。

?02、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），具有三級單元（TLC）和超過20Gb/mm^2的位密度（bit density）。該芯片的頁容量（page size）為16KB，擁有四個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方面的技術，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，降低通道電容負載來縮短tPROG和tR的世界線建立時間；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(xù)讀取命令，最終提高了服務質量（QoS）和讀取性能。

它將采用三重堆疊技術，涉及生產三組獨立的3D NAND層，每組分別堆疊為120層、110層和91層，然后組合成一個芯片。預計2025年開始量產。

搶先SK海力士一步量產的是它的存儲老對手三星，韓國媒體《首爾經濟日報》援引業(yè)內人士消息稱，三星計劃于2024年量產超過300層的第9代3D NAND。預計將采用雙堆疊技術生產，其中包括在兩個獨立過程中創(chuàng)建NAND存儲器，然后將它們組裝在一起。這和SK海力士的技術是不同的。

三星在2022年底就已經開始批量生產采用第8代V-NAND技術的產品，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晶圓上先生產一個3D NAND Flash堆棧，然后在原有基礎上再構建另一個堆棧。

目前尚不清楚三星300+層閃存的具體細節(jié)，比如確切層數、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8平面3D NAND設備和具備超過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210個有源層和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顆粒通過減少X方向的數據查詢區(qū)域減少到41%，以實現(xiàn)3.2GT/s的接口速度。然而，這種新設計可能導致布線擁塞，鎧俠通過引入混合行地址解碼器緩解了這一問題，最大限度地減少了因擁塞導致的讀取延遲下降。

鎧俠還通過新型的單脈沖雙選通技術，讓單個脈沖內感測兩個存儲單元，這使得總感測時間減少18%，提升程序吞吐量達到205MB/s。

通過兩種新技術，新型NAND顆粒實現(xiàn)了更高性能和更低延遲，這些技術將在未來得到更廣闊的應用。然而，八平面架構會增加IC和主控的復雜性，從而導致更高的開發(fā)和制造成本。如果主控芯片無法正確管理八平面顆粒，則IC的實際性能還可能下降。除了八平面3D NAND IC外，鎧俠和西數聯(lián)合開發(fā)了超過300層的3D NAND顆粒。

為了實現(xiàn)這一目標，聯(lián)合團隊采用金屬誘導橫向結晶技術（MLIC），通過這項技術，開發(fā)團隊能夠在垂直存儲孔內創(chuàng)建單晶14微米長的“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。

?03、勢在必得的存儲高地

市場在變，需求在變，技術也在更迭。存儲市場波動持續(xù)影響著整個半導體行業(yè)。

進入2023年，NAND供應商采取行動重新平衡供需動態(tài)，他們不僅減少對市場的出貨量，且大部分供應商都宣布削減晶圓廠利用率或減少晶圓開工。市場研究機構Yole分析稱，所有供應商不僅削減了2023年資本支出，并推遲了路線圖進程。其中，僅NAND 資本支出預計將同比下降約40%。Yole指出，隨著庫存水平的正常化回歸以及OEM等采購信心的恢復，將為今年晚些時候的 NAND復蘇提供了希望。

市場研究機構Yole Intelligence最新報告顯示，NAND Flash市場將在今年第三季度迎來增長，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(xù)增長，新技術的引入使得NAND Flash市場的長期前景依然看好。該報告還提到了推動 NAND 市場發(fā)展的幾個因素。

首先是大型科技公司和傳統(tǒng)企業(yè)原始設備制造商?(OEM) 對企業(yè)級固態(tài)硬盤 (SSD) 的需求增加。這些企業(yè)對數據存儲的要求越來越高，因此采用更多的企業(yè)級SSD來滿足大規(guī)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市場增長的因素之一。隨著人們對快速啟動和高效數據讀寫的需求增加，SSD在個人電腦和游戲機中的應用越來越廣泛。智能手機和其他移動設備存儲容量的增加也是推動市場增長的因素之一。隨著用戶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NAND Flash市場的增長。

根據預測，NAND市場將結束連續(xù)七個季度的下滑，并在今年第三季度實現(xiàn)增長。