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过于关注 3D NAND 闪存层数可能是一种误导

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?

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。

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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。

层数并未唯一的判断标准

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”。

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。

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。

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。

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