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半導體行業(yè)十分有趣，同時也充滿挑戰(zhàn)。俗話說，“打江山難，守江山更難”，這句話形容半導體行業(yè)十分貼切。我們需要頂住重重壓力，不斷突破物理、化學、制造和創(chuàng)新的極限，以推動邏輯、內存、存儲等計算器件的發(fā)展。如何開發(fā)出尺寸更小、速度更快、功耗更少、成本更低，同時容量更大的閃存技術是我們每天都要應對的挑戰(zhàn)。美光憑借3D NAND新技術與率先推出的新產品再攀高峰，借此機會讓我們回顧美光取得的輝煌成就。
美光一直以來被公認為3D NAND技術的領導廠商，之前我們推出了業(yè)內首款176層替換柵極NAND技術，再次證明了這一點。從那時起，我們就將先進 NAND 技術引入美光存儲產品組合中，憑借多種外形規(guī)格與接口技術，廣泛地應用于移動設備、PC客戶端、汽車、智能邊緣和數據中心等不同市場，充分展示了美光卓越的運營能力。
在完善和擴大176層NAND技術應用的同時，美光團隊也在努力開發(fā)下一代更先進的NAND技術。近日，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年底前實現量產，我們?yōu)榇烁械阶院馈?/p>
這標志著業(yè)界首款232層3D NAND正式問世。目前該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于今年晚些時候上市，屆時將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。
垂直堆疊，而非橫向擴展
我發(fā)現當我和一些不太熟悉NAND技術的受眾談及我們的產品時，“堆疊層數越多就越好”這個概念往往很好理解。因此我想借機向更多群體分享這一技術進步的細節(jié)與影響。
就3D NAND而言，堆疊層數越多越好。請想象要在一個寸土寸金的城市提高居住密度以應對人口增長，向外擴建不僅可能性低，而且成本高。因此很多城市選擇向上擴建，即在同樣大小的土地上修建樓層更高、房間更多的大樓和公寓，以實現更高容積率。同理，停車場和建筑物的供水及暖通空調設施大部分都位于地下，以更好地提高空間效率。
美光新推出的232層 NAND 基于經過驗證的CMOS 陣列下(CuA)架構，該架構為容量增長、密度增加、性能提升和成本降低提供了一個向上擴展的方法。通過增加NAND數據單元陣列堆疊層數， 能夠增加每平方毫米晶圓上的比特數，進而提高存儲密度，降低單位存儲成本。
全球首發(fā)的 232 層 NAND 技術標志著美光第六代NAND 即將進入大規(guī)模量產。突破性的超高堆疊層數和CuA技術使每顆芯片僅需極小的尺寸就可存儲高達1Tb的容量，這意味著232層NAND的比特密度比上一代176層 NAND 高出45% 以上，多么驚人的容量提升! 密度的增加也進一步改善了封裝規(guī)格，全新的11.5mm x 13.5mm封裝尺寸較前幾代小28%。這些突破意味著大容量、高性能的存儲產品將能搭載在更多類型的設備上。
更強性能，更高服務質量（QoS）
除了密度增加，擁有業(yè)界最多堆疊層數，232層NAND也是目前速度最快的 NAND產品。開放式NAND閃存接口（ONFI）使傳輸速率大大提高，達到2400 MT/s，再次領先業(yè)界，比上一代技術提高50% 以上。此外雙向帶寬也有提高，相比176 層產品，232 層 NAND 的寫入帶寬提升可達100%，讀取帶寬提升超過75% 。
為了實現存儲與性能進步，我們需要將3D NAND劃分為更多的六個平面，以實現更高程度的并行，從而提高性能。目前市場上許多NAND只有兩個平面，就算是最先進的產品也僅采用四平面設計來傳輸指令與數據流，美光則是首家將六平面TLC（三層單元）NAND產品推向市場的廠商。
就單顆裸片而言，增加并行性能給NAND器件同時發(fā)送更多讀寫指令，從而提高順序訪問和隨機訪問的讀寫性能。因此，六平面架構和全新 232 層 NAND 中相應的獨立字線數量，也可以通過減少寫入和讀取指令沖突來提高服務質量(QoS)。就像高速公路一樣，車道越多，擁堵就越少，特定區(qū)域的交通就越通暢。
勇攀高峰
在3D NAND閃存中增加更多堆疊層數看似輕而易舉，實則并非如此。NAND 的制造工藝非常復雜，往往需要數百道獨立工藝流程才能將原始晶圓加工成合適的裸片或芯片。
增加堆疊層數最大的困難也許是確保堆疊從上而下的統(tǒng)一性，這對于正確對齊所有的層和連接柱是必不可少的。我們試舉幾例遇到的挑戰(zhàn):
- 垂直字線層之間的距離縮短增加了存儲單元間的電容耦合，這個問題需要解決。
- 隨著堆疊層數的增加，硅柱刻蝕功能的工藝難度急劇上升。
美光使用高度先進的蝕刻和圖案化工藝來創(chuàng)建高深寬比結構，并通過高效的替換柵極工藝來提升性能。
團隊建設
應對這些挑戰(zhàn)需要團隊間緊密協作，包括設計、技術開發(fā)、系統(tǒng)啟動、晶圓制造、測試和封裝以及許多其他職能部門的支持，因此優(yōu)化跨職能團隊協作是影響復雜解決方案成敗的關鍵。從設計與技術協同優(yōu)化的角度出發(fā)，理解工藝效果，并調整設計以使產品性能更加穩(wěn)健十分重要。例如3D NAND需要控制器進行先進的數據管理和糾錯，以增加編程周期。精準的平面規(guī)劃和建模同樣非常重要，因為要確保不會因工藝偏差而影響電氣參數與熱參數。
創(chuàng)新半導體原型設計已經困難重重，大批量生產3D NAND則是更大的挑戰(zhàn)。3D NAND采用垂直結構堆疊存儲單元，因此任一單元的缺陷都會影響單元串的性能。高深寬比刻蝕對精度要求極高，因此需要采用先進的污染控制方法以降低殘次率，同時提高電子遷移速度和導電性以解決傳輸速度下降的問題。
盡管美光擁有豐富的內部專業(yè)知識來推動這一技術創(chuàng)新，我們還是與機臺廠商、材料生產商和其他供應商密切合作，開發(fā)解決方案，以精確構建極端幾何形狀的內存單元。
即將交付的SSD
從設備端到智能邊緣再到云計算，美光 232層NAND代表了數字化發(fā)展過程中的分水嶺。從最早支持手機上的拍照技術，到支持平板電腦、輕薄筆記本電腦和可穿戴設備，固態(tài)存儲技術是科技發(fā)展背后的關鍵推手。如果沒有存儲應用程序和數據的技術，科技發(fā)展會受到極大阻礙。
“業(yè)界首發(fā)，不二選擇”這一宣言代表了美光對技術領導力的不懈追求，深受團隊認同。隨著堆疊層數的不斷增加，美光提供了擁有更高存儲密度，更少能耗與更低單位存儲成本的產品和技術，有助于為數字化、系統(tǒng)優(yōu)化和自動化發(fā)展提供新機會。通過不斷突破設計、工藝與卓越制造的極限，美光始終保持技術領先地位。憑借 232層3D NAND，美光再一次提升了 NAND 技術的業(yè)界基準，期待該技術能掀起新一波產品創(chuàng)新的浪潮。
