颠覆行业的176层3D NAND,美光能为存储市场带来什么

存储器市场的技术突破来了。

2021年前夕,美光科技宣告了自己最新的第五代3DNAND闪存技术,该技术具有176层单元堆叠。

作为半导体产业的重要分支,存储器市场地位也在不断增长,这点在市场数据上反映的很明显:全球半导体协会SIA数据显示,存储芯片产业2019年全球销售额约1200亿美元,约占全球半导体市场营收4121亿美元的30%。进入2021年以后,内存市场也迎来了自己的一波涨价,似乎是在预示着存储器市场的又一轮火热。

美光此次的176层NAND技术,其支持的接口速度为1600MT/s(ONFi总线),高于96层和128层闪存的1200MT/s,与96层NAND相比,读写延迟情况改善了35%以上,传输速度提升了33%,与使用96层NAND的UFS 3.1模块相比,美光芯片的总体混合工作负载改善了约15%,此外176层NAND采用紧凑型设计,裸片尺寸比市场最接近同类产品缩小近30%,每片Wafer将产生更多的GB当量的NANDflash。176层NAND是满足小尺寸应用需求的理想解决方案,也是闪存产品密度和性能上的又一次重大提升。

美光176层3DNAND优势

在摩尔定律的推动之下,通过提高晶体管密度来减少产品成本、提升性能成为了半导体巨头们追逐的重点。要明确的是,与NOR flash相比,NAND flash本身就有着写入擦除速度快的优势,IC容量可达128GB以上,因此通常被用来作为大量数据存储器,现在市面上GB级的U盘及SSD硬盘均采用NAND flash,而3DNAND则把存储单元立体化,意味着每个存储单元的单位面积可以大幅下降,还可以通过增加3DNAND芯片堆叠层数从而线性增加存储密度,但工艺复杂,难度极高,此前大多数3DNAND均采用20nm以上的工艺。

为了实现176层3DNAND闪存技术,美光结合了堆栈式替换栅级架构、电荷捕获和CMOS-under-array(CuA)等新技术。美光的3D NAND专家团队利用公司专有的CuA技术在芯片的逻辑器件上构建了多层堆栈,将更多内存封装在更紧凑的空间中,极大缩小了176层NAND的裸片尺寸,提升了单片晶圆的存储容量。同时,美光将其NAND单元技术从传统的浮动栅级过渡为电荷捕获,提高了未来几代NAND的可扩展性和性能,除此之外,还采用了替换栅级结构,利用其中的高导电性金属字线取代硅层,最终将堆叠层数提高到了176层。

美光科技工艺集成技术开发高级总监Kunal Parekh

正如芯片市场经常讲的一句话:“摩尔定律正在逼近极限”。3DNAND领域的每一次创新对行业来讲都十分重要,美光此次在3DNANDflash的技术突破,不仅是纳米制造业一次重大创新,也在一定层面上反应了美光在NAND技术和制造能力的优势,有助于扩大美光在未来几代NAND上的创新地位。

不仅如此,对于行业用户而言,这也是一次创新的机会:176层NAND的出现势必会推动固态硬盘服务质量(QoS)和性能的逐步改进,这将使企业受益匪浅。现如今现代应用的虚拟化、共享体系结构和容器,以及对数据分析和人工智能的日益依赖,导致对存储复杂的需求,这些环境带来了复杂的读写模式,以至于破坏了原有的存储性能,也给依赖NAND的企业带来了挑战。

针对这种极具挑战性的环境,美光设计了176层NAND,通过减小块尺寸提高QoS,为数据湖、人工智能和大数据分析提供了更好的读取延迟,加快了数据的深度分析,而高速的数据传输速率则可支持实现一致性极高的快速吞吐量,并支持对数据的即时访问,这有利于速度对业务至关重要的电子商务、金融服务和工业等应用,可以确保企业在对数据进行深度分析时不会遇到瓶颈。这些优势将进一步加快企业采用闪存取代传统存储的速度,最终使企业在数据推动的经济环境中占据竞争优势。

作为各行各业的基础构建模块,3D NAND广泛应用于智能手机、智能边缘设备以及现代云工作负载,美光科技NAND组件产品线高级经理Kevin Killbuck认为,此次176层NAND的技术创新适应性很强,可以加速从汽车到云计算等各个行业的创新,并迅速取得成效。由于闪存越来越普及,世界各地的人们都将以某种方式使用最新的技术,这不单单是美光的工程成就,更重要的是能为数据生态系统带来价值。

美光科技NAND组件产品线高级经理Kevin Killbuck

为了简化固件开发,美光176层NAND提供单流程(single-pass)写算法,使集成更为便捷,从而加快方案上市时间。除了SSD、eMMC和UFS等系统解决方案,随着技术的成熟,美光也会将这一技术转向其他要求更高的市场,包括销售给系统集成商、原始设备制造商以及自己构建系统解决方案的超大型企业。这些应用不仅包括闪存卡、USB存储和固态硬盘,也包括闪存阵列等其他存储解决方案,这符合行业的发展规律,也是美光自身的战略需求,目前,美光已经和很多客户开展了176层NAND的部署工作。

令人兴奋的是,美光176层三层单元(TLC)3D NAND已在美光新加坡晶圆制造工厂量产并向客户交付,包括通过其英睿达(Crucial)消费级SSD产品线,虽然具体产能情况仍然未知,但美光的制造策略是与公司的商业策略始终匹配的。

“176层3DNAND将在市场上取得巨大成功,市场的反应非常积极。特别是对于美光,176层NAND将加速并扩大我们在移动、汽车、消费类等各个领域的增长机会。”Kevin Killbuck表示,诚然,176层3D NAND独特的功能将提升和拓展从5G到人工智能,从边缘到云的各种应用中的存储能力。

半导体工艺来到14nm以下,通过3DNAND的持续发展,使得NAND的发展一再突破瓶颈,NAND闪存芯片的容量也得以在几年内快速提升,使得NAND闪存芯片成为行动装置及计算机内大量数据存储器芯片,而从产业发展角度而言,NAND flash技术的升级也将刺激eMMC、UFS等主流产品性能的提升,容量的增加,会带来更多创新机会。

来源:颠覆行业的176层3D NAND

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