DRAM位密度提升40%背后

?1 月 27 日，美光正式宣布批量出貨基于 1α (1-alpha) 節(jié)點(diǎn)的 DRAM 產(chǎn)品，相較于美光1z DRAM 制程，1α 技術(shù)將DRAM內(nèi)存密度提升了 40%。

40%位密度提升帶來的好處是什么呢？美光DRAM制程集成副總裁Thy Tran在接受與非網(wǎng)專訪時(shí)表示：“無論是用于手機(jī)還是汽車，1α DRAM的內(nèi)存密度提高了40%，這使得客戶能夠?qū)⒏嗟臄?shù)據(jù)存放到更緊湊的空間中，為進(jìn)一步的性能提升釋放空間?！?/p>

美光DRAM制程集成副總裁Thy Tran

1α DRAM的賦能效應(yīng)

位密度簡(jiǎn)單而言就是單位面積上存儲(chǔ)的二進(jìn)制信息數(shù)，位密度提升后，內(nèi)存產(chǎn)品便能夠在相同體積下存儲(chǔ)更多的數(shù)據(jù)信息。

在美光1α DRAM制程提升的40%內(nèi)存密度中，大約有10%是由DRAM設(shè)計(jì)效率驅(qū)動(dòng)的，反映出美光對(duì)內(nèi)存技術(shù)創(chuàng)新有了更進(jìn)一步的理解。Thy Tran指出：“除了傳統(tǒng)的內(nèi)存單元陣列縮小途徑之外，我們還利用設(shè)計(jì)和制程創(chuàng)新來積極拓展電路的其他部分。這是通過部署一種技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的，以滿足內(nèi)存單元陣列目標(biāo)，涉及到字線、位線雜散電阻和電容、存取晶體管和單元存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)電容，以及裸片其他區(qū)域的CMOS與互連的電阻和電容等?！?/p>

我們看到，目前美光位于中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的工廠已開始批量生產(chǎn) 1α 節(jié)點(diǎn) DRAM，首先出貨的是面向運(yùn)算市場(chǎng)的DDR4 ?內(nèi)存以及英睿達(dá) (Crucial) 消費(fèi)級(jí) PC DRAM 產(chǎn)品。Thy Tran介紹說：“在今年及以后的時(shí)間里，我們將繼續(xù)推出基于該節(jié)點(diǎn)的其他產(chǎn)品，包括LPDDR5?！笨梢灶A(yù)見，這些基于1α 制程打造的存儲(chǔ)產(chǎn)品會(huì)釋放各行業(yè)的創(chuàng)新動(dòng)能。

當(dāng)前，在智能手機(jī)上，大型手游開始成為主流，過往消費(fèi)者沒有明顯感知的DRAM開始成為性能瓶頸，如果DRAM配置不達(dá)標(biāo)，很多游戲?qū)?huì)卡成“幻燈片”。這樣的卡頓情況在PC、服務(wù)器、汽車等產(chǎn)品上同樣會(huì)出現(xiàn)。位密度提升之后，使得我們能夠在設(shè)備上搭載更大容量的DRAM，“智能手機(jī)和汽車的電子控制單元（ECU，內(nèi)存所在）的物理面積都非常小。對(duì)于汽車ECU來說，每一代產(chǎn)品的內(nèi)存密度需求都會(huì)增加，而物理面積保持不變，在某些情況下甚至?xí)　Ｒ虼?，密度更高?α DRAM將直接滿足不斷增長(zhǎng)的內(nèi)存需求?！?Thy Tran講到。

除了40%的位密度提升，美光1α DRAM還能降低 15% 的功耗，以提高存儲(chǔ)器性能。

功耗降低這一點(diǎn)對(duì)于數(shù)據(jù)中心和5G智能手機(jī)等行業(yè)而言同樣很重要。就以數(shù)據(jù)中心為例，目前各類型服務(wù)器所采用的內(nèi)存數(shù)量與日俱增，我們能夠看到一些廠商當(dāng)前所主推的通用機(jī)架服務(wù)器會(huì)采用24塊DDR4 DIMM，還有一些服務(wù)器會(huì)提供48個(gè)內(nèi)存插槽，最大支持18TB的內(nèi)容容量。在此背景下，如果采用美光1α DRAM，那么單臺(tái)服務(wù)器就可以節(jié)省非常多的能量，如果以整個(gè)數(shù)據(jù)中心來統(tǒng)算的話，可以有效降低成本。

而對(duì)于5G智能手機(jī)而言，Thy Tran表示：“美光為移動(dòng)行業(yè)提供最低功耗的 DRAM 平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了 15% 的節(jié)能（與上一代1z美光移動(dòng)DRAM相比），使 5G 用戶在不犧牲續(xù)航的同時(shí)能在手機(jī)上進(jìn)行更多任務(wù)操作。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)橹悄苁謾C(jī)的關(guān)鍵在于便攜性，盡管用戶希望手機(jī)能更快地執(zhí)行更多的任務(wù)，但也不愿意犧牲續(xù)航或者外形尺寸。我們的汽車客戶也在使用我們的移動(dòng)低功耗DRAM，例如LPDDR4和LPDDR5，因此他們也能受益于這種節(jié)能特性?！?/p>

汽車，尤其是搭載智能座艙或者自動(dòng)駕駛的汽車，對(duì)DRAM的需求也將越來越凸顯。2019年就有新聞表示，美光是 Mobileye 的EPM5 平臺(tái)的內(nèi)存解決方案主要供應(yīng)商。而我們?cè)贛obileye關(guān)于EyeQ系統(tǒng)級(jí)芯片演變的介紹中看到：在EyeQ5中，Mobileye實(shí)現(xiàn)了多線程處理集群（MPC），專用IO至少支持40Gbps數(shù)據(jù)帶寬，并實(shí)現(xiàn)了多通道低功耗DDR接口。

可見，Mobileye不僅需要高帶寬和大容量的內(nèi)存，低功耗這一點(diǎn)是其特意強(qiáng)調(diào)的。對(duì)此，Thy Tran也指出：“低能耗對(duì)電動(dòng)汽車和自動(dòng)駕駛汽車尤其有利?！?/p>

“隨著ADAS和AI等數(shù)據(jù)密集型汽車技術(shù)的興起，現(xiàn)代聯(lián)網(wǎng)汽車和自動(dòng)駕駛汽車目前運(yùn)行的代碼超過1億行，每秒需要進(jìn)行數(shù)百萬億次的運(yùn)算，與數(shù)據(jù)中心的計(jì)算性能水平不相上下。這些汽車，或者稱之為車輪上的數(shù)據(jù)中心，需要管理高性能計(jì)算，但不能讓司機(jī)不斷地為電動(dòng)汽車充電或者加油以滿足高耗電應(yīng)用需求。因此，1α DRAM的電源效率也將有助于降低能耗，幫助自動(dòng)駕駛汽車以更低的排放實(shí)現(xiàn)綠色交通的承諾?！彼趯ＴL中說到。

1α DRAM可以被視為美光10納米級(jí)DRAM的第四代工藝，其前面還有1x、1y和1z。1α DRAM將提供 8Gb 至 16Gb 的密度，將助力美光現(xiàn)有的 DDR4 和 LPDDR4 系列產(chǎn)品延長(zhǎng)生命周期。

Thy Tran認(rèn)為，這對(duì)OEM廠商而言非常有利，“這種擴(kuò)展的DDR4和LPDDR4能夠讓我們的OEM客戶受益，他們需要可靠的、可擴(kuò)展的產(chǎn)品，用于嵌入式汽車解決方案、工業(yè)PC和邊緣服務(wù)器等通常具有較長(zhǎng)產(chǎn)品壽命的應(yīng)用場(chǎng)景。例如，從最初設(shè)計(jì)到使用壽命結(jié)束，汽車子系統(tǒng)的壽命可能是7至10年，而工業(yè)和嵌入式平臺(tái)的壽命可能是5至10年。通過為客戶提供更長(zhǎng)生命周期的DDR4和LPDDR4，降低了客戶在其產(chǎn)品生命周期內(nèi)重新認(rèn)證平臺(tái)的成本。在嵌入式市場(chǎng)，由于嚴(yán)格的質(zhì)量和可靠性要求，平臺(tái)重新認(rèn)證和組件報(bào)廢管理的成本可能會(huì)非常高?！彼龑?duì)此表示。

同時(shí)，她還補(bǔ)充到：“對(duì)于客戶來說，還有一個(gè)機(jī)會(huì)成本的問題——如果他們把時(shí)間花在重新認(rèn)證舊平臺(tái)上，那就沒有時(shí)間專注于未來的產(chǎn)品創(chuàng)新。有了如此長(zhǎng)生命周期的產(chǎn)品，就能降低OEM的總體擁有成本，這樣他們就可以在最初設(shè)計(jì)后的數(shù)年內(nèi)一直保持制造平臺(tái)不變?！?/p>

10nm級(jí)DRAM工藝的下一步

通過工藝改進(jìn)，美光得以將DRAM的位線（bitline）、字線（wordline）和網(wǎng)格（grid）等參數(shù)縮小，而新材料的作用在1α DRAM的設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程中同樣不容忽視，美光整合了全球各地最新、最好的材料，比如更好的導(dǎo)體材料和絕緣體材料。

1α DRAM也是美光采用希臘數(shù)字命名的第一個(gè)10nm級(jí)DRAM工藝。隨著工藝的推進(jìn)，DRAM制程已經(jīng)越來越接近真正物理意義的10nm。此前曾有業(yè)者表示，DRAM未來將會(huì)走向10nm以下，那么面對(duì)前路，美光會(huì)作何抉擇呢？

未來內(nèi)存突破大致包含以下幾個(gè)方面。首先是進(jìn)一步壓榨現(xiàn)有工藝技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)更好的層間堆疊；其次是采用更為先進(jìn)的光刻技術(shù)——EUV；另外還有就是采用全新的架構(gòu)設(shè)計(jì)，引入4F2 Cell。

美光1α DRAM繼續(xù)采用 6F2 位線設(shè)計(jì)以及DUV的光刻技術(shù)。Thy Tran在其博客中的描述讓大家能夠感受到這種實(shí)現(xiàn)方式帶來的巨大挑戰(zhàn)，在其博文中有提到更小的晶體管體積，一千多個(gè)制造和測(cè)試步驟，衍射極限和瑞利準(zhǔn)則。

關(guān)于設(shè)備的選擇，原則上講EUV光刻機(jī)在先進(jìn)制程方面更具優(yōu)勢(shì)，且當(dāng)工藝達(dá)到一定程度的時(shí)候便非EUV不可，這在一些尖端邏輯芯片的生產(chǎn)上已經(jīng)得到證明。但現(xiàn)有案例也已經(jīng)驗(yàn)證，DUV通過雙工作臺(tái)模式也能達(dá)到真正物理意義上的10nm。

在1α DRAM上面，美光已經(jīng)展示其對(duì)自身先進(jìn)的光刻能力和間距倍增方法的信心。Thy Tran 表示：“我們對(duì)這個(gè)節(jié)點(diǎn)還采取了不同的方法，使風(fēng)險(xiǎn)承受能力更強(qiáng)。我們不是被動(dòng)等待數(shù)據(jù)以證明新技術(shù)可行，而是先行承擔(dān)了更多的風(fēng)險(xiǎn)，然后開始確定緩解和降低風(fēng)險(xiǎn)的方法。這種基于工程優(yōu)勢(shì)和創(chuàng)新能力來博弈新方法的模式，使我們能夠更積極地實(shí)現(xiàn)1α目標(biāo)，同時(shí)為將來的節(jié)點(diǎn)應(yīng)用這些新方法奠定了可擴(kuò)展的基礎(chǔ)?！?/p>

她認(rèn)為：“EUV未必是制程發(fā)展的關(guān)鍵促成因素。我們專有的創(chuàng)新多重曝光技術(shù)能夠滿足目前的性能和成本要求。通過我們的制程解決方案和先進(jìn)的控制能力，可以滿足技術(shù)節(jié)點(diǎn)的要求。而且目前EUV設(shè)備的性能也不如先進(jìn)的浸潤(rùn)式光刻技術(shù)。雖然EUV技術(shù)還在改進(jìn)，但其成本和性能仍然落后于當(dāng)前的多重曝光和先進(jìn)的浸潤(rùn)式光刻技術(shù)?！?/p>

不過，她也表示，美光會(huì)持續(xù)跟進(jìn)EUV的技術(shù)發(fā)展?！拔覀冋诓粩嘣u(píng)估EUV，相信在未來三年內(nèi)，EUV會(huì)取得必要的進(jìn)展，在成本和性能上能夠與先進(jìn)的間距倍增和浸潤(rùn)式技術(shù)相競(jìng)爭(zhēng)。當(dāng)該技術(shù)符合要求時(shí)，我們會(huì)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候引入該技術(shù)?！?/p>

在2020國(guó)際內(nèi)存研討會(huì)上，美光曾在《最尖端DRAM》演講中談到4F2 Cell，理論上4F2 Cell面積將是6F2 Cell的2/3，但新材料的研發(fā)是一個(gè)限制因素。

無論如何，我們都將看到美光在存儲(chǔ)技術(shù)上持續(xù)保持高頻率的創(chuàng)新，目前該公司在DRAM和NAND技術(shù)上同時(shí)處于業(yè)界領(lǐng)先地位?！拔覀兎浅Ｗ院烂拦庠跉v史上第一次同時(shí)在DRAM和NAND技術(shù)上均處于領(lǐng)先地位。這是我們過去幾年同時(shí)加速布局DRAM和NAND技術(shù)路線圖的結(jié)果，也是我們專注于內(nèi)存和存儲(chǔ)技術(shù)的結(jié)果。目前，我們?cè)诩夹g(shù)能力方面處于行業(yè)領(lǐng)先地位，展望未來，我們將與業(yè)界其他領(lǐng)域更典型的節(jié)點(diǎn)邁進(jìn)規(guī)律保持一致，從而繼續(xù)我們的這一競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)?！?Thy Tran在專訪中說到，“我們甚至利用從NAND團(tuán)隊(duì)那里學(xué)到的制程經(jīng)驗(yàn)，他們最近推出了世界上第一款176層3D NAND，取得了業(yè)界領(lǐng)先的成就。此外，值得注意的是，我們的1α里程碑是通過技術(shù)開發(fā)、設(shè)計(jì)、產(chǎn)品和測(cè)試工程、制造和質(zhì)量等各方面的協(xié)作來實(shí)現(xiàn)的——這是我們第一次進(jìn)行如此深入的多領(lǐng)域協(xié)作，我們1α節(jié)點(diǎn)的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)充分證明了其可行性。”
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