4D NAND抢了长江存储Xtacking的风头？比一比就知道了

来源：本文由半导体行业观察（ID：icbank）原创

这几天，Flash Memory Summit正在美国举行。昨天，关于此次峰会，行业主要关注的焦点就是我国的长江存储在会上正式发布了全新的3D NAND架构：Xtacking。

今天，SK海力士成为了另一家备受关注的企业，因为该公司在峰会上宣布推出全球首款4D NAND闪存。

当下，3D NAND发展的如火如荼，而且相应技术仍处于前沿地带，而SK海力士的宣传更加吸引眼球，直接推4D产品。

4D闪存技术并不是SK海力士发明的。据悉，该技术最早是由APlus Flash Technology公司提出的，其技术原理是NAND+类DRAM的混合型存储器，采用了“一时多工”的平行架构，而3D-NAND只能执行“一时一工”。若一到十工同时在4D闪存系统执行时，其速度会比3D-NAND快一到十倍。

打个比方，按照爱因斯坦的“相对论”， 时间已不是常数，因此，可以认为时间在4D闪存系统中变长了，从而能够处理更多的事情。反之，时间在3D-NAND系统中可以认为变短了，则处理的事情也就少了。

总的来说，4D闪存的设计理念是集前端高速易失性DRAM和后端低成本、非易失性的3D-NAND于一身，巧妙地克服了3D-NAND的缺点。4D闪存是“统一型设计”架构，在制程工艺不变的情况下，可直接应用到各种3D-NAND上。

4D NAND究竟如何？

实际上，SK海力士在今年5月25日就正式发布了4D NAND产品：96层堆叠的512Gb TLC。本次峰会上，该公司更具体地介绍了该款产品。

SK海力士称其是业内第一款4D闪存：V5 512Gb TLC，采用96层堆叠、I/O接口速度1.2Gbps（ONFi 4.1标准）、面积13平方毫米，今年第四季度出样。

此外，BGA封装的可以做到1Tb（128GB），模组最大2TB，若放到2.5英寸的U.2中，则可以做到64TB，2019年上半年出样。

性能方面，V5 4D闪存芯片的面积相较于V4 3D产品减小了20%、读速提升30%、写速提升25%。另外，V5 4D闪存也规划了QLC产品，通过96层堆叠，单Die最小1Tb，明年下半年出样。

据悉，SK海力士内部的4D闪存已经推进到了128层堆叠，很快可以做到单芯片512GB。

该公司曾于2015年做到单芯片8TB。目前，SK海力士的3D NAND是72层堆叠，单芯片最大512Gb（64GB），首款企业级产品PE4010已于今年6月份出货给微软Azure服务器。

峰会上，SK海力士还阐述了其3D NAND的技术路线选择，该公司称，CTF（Charge Trap Flash，电荷捕获型）比Floating Gate（浮栅型）存储单元面积更小、速度更快、更耐用（P/E次数多）。

而三星公司从2013年的第一代V-NAND 3D闪存就开始使用CTF了，东芝/西数（闪迪）的BiCS亦是如此。当然，美光/Intel还是坚持浮栅，不过这倒无所谓，毕竟他们有更厉害的3D Xpoint（基于相变内存，还有一种说法是ReRAM磁阻式内存）。

另一家巨头——美光在峰会上推出了“CuA”，用于美光的第四代3D NAND中。CuA是CMOS under Array的缩写，即将外围CMOS逻辑电路衬于存储芯片下方，它有三大好处，提高了存储密度、降低了成本、缩短了制造周期。号称比第三代（96层堆叠）写入带宽提升30%、每存储位的能耗降低40%。

禁不住做个比较

在本次Flash Memory Summit峰会上，SK海力士和我国的长江存储先后都推出了前沿的闪存技术，不免要进行一下比较。

长江存储推出了Xtacking架构，其将外围电路置于存储单元之上，从而实现比传统3D NAND更高的存储密度；其最大的特点是高速I/O，高存储密度，以及更短的产品上市周期。特别是在I/O速度方面，目前，世界上最快的3D NAND I/O速度的目标值是1.4Gbps，而大多数供应商仅能供应1.0 Gbps或更低的速度。利用Xtacking技术有望大幅提升NAND的I/O速度至3.0Gbps，这与DRAM DDR4的I/O速度相当。

据悉，长江存储已经把这项技术运用到相应的存储产品中（可能是64层堆叠的），预计明年开始量产，采用14nm制程工艺。

而SK海力士的4D闪存的外围电路和Xtacking正相反，在存储单元下方，据说这种设置的好处有三点，一是芯片面积更小、二是缩短了处理工时、三是降低了成本。

可见，长江存储的Xtacking更强调存储密度和高速的I/O，而SK海力士的4D闪存更强调集成度和成本。这也是和两家企业的基本状况相符的。

由于SK海力士是当今全球三大存储器厂商之一，其规模和技术功底肯定是明显高于长江存储的。SK海力士4D闪存已经做到了96层堆叠，而长江存储的第一代产品今年底才量产，采用的是32层堆叠，其全线产品的总体存储密度是低于SK海力士的，因此，“缺什么补什么”，Xtacking重点关注存储密度也就顺理成章了。且Xtacking的最大特点是I/O速度，高达3.0Gbps，明显高于SK海力士的1.2Gbps，如果Xtacking能够顺利量产的话，I/O指标真能达到3.0Gbps，那也是业界首创了，再加上中国本土产品先天的成本优势，还是相当有竞争力的。

如前文所述，4D闪存的技术原理是NAND+类DRAM的混合型存储器，集前端高速易失性DRAM和后端低成本、非易失性的3D-NAND于一身。而Xtacking具有3.0Gbps的I/O吞吐量，很可能是在类DRAM层面实现了技术突破，我们知道，长江存储是主攻NAND闪存的，取得上述突破，可见其在存储器整体技术水平上已经具有了比较强的实力（当然，相对于几家国际大厂，还是有明显差距的），在这方面，后续很可能会有新看点和惊喜，值得期待。

反观SK海力士的4D闪存，由于其96层（128层估计也不远了）堆叠在存储密度上已经很有竞争力了，所以该公司将关注的焦点放在了集成度和成本上。集成度方面自不必说，所有数字和逻辑电路的大势。

看点在成本上，由于中国相当重视存储器产业，国家大力支持，无论是DRAM，还是NAND Flash，都有大项目先后上马，且今明两年陆续实现量产，这给一直垄断全球存储器市场的那几家大厂施加了不小的压力。中国一旦在技术和量产层面突破，其先天的成本优势很可能对几家大厂的中低端产品形成摧枯拉朽的态势。因此，SK海力士将前沿产品的成本放在重要考量位置，也可以算是未雨绸缪了。

结语

回顾NAND发展史，从1991年推出8Mb的2D-NAND，到2017年推出512Gb的3D-NAND为止，共花了26年。若以“摩尔定律”每两年容量翻倍计算，应只能增加2¹³倍。但实际上，NAND容量却增加了2¹⁶倍。

3D-NAND延续了2D-NAND高容量、低成本等优点，但也遗传了其读写速度慢、资料品质差等缺点。这些说明3D-NAND仍有很大的成长空间，除了那几家传统巨头外，新玩家紫光（长江存储）、旺宏、Cypress等，也在陆续推出新型3D-NAND，加入战局。

至于命名方面，是4D闪存，还是在3D基础上取个吸引眼球的名字，就显得不那么重要了。

「推仔说新闻」长江存储压轴出场 介绍3D NAND架构Xtacking

不知道还有没有小伙伴们记得，前几天我们聊过SK海力士推出的4D闪存，当时和大家说过，如果有机会就给大家介绍一下长江储存，毕竟都是在Flash Memory Summit的Keynote上面做了报告，而且长江存储还是压轴的。

另外提一句，在上次SK海力士的新闻中，有位同学问我I/O接口速度是什么，在这里简单的说一下，I/O就是input（输入）/output（输出），对闪存芯片来说I/O接口速度就是引脚带宽。

下面回到正文，在Keynote上长江存储称，数据产生的能力和贮存能力的增长是严重不对等的，2020年左右将产生47ZB（1ZB=1024EB=1024^2PB），而到了2025年这个数字会更多，达到162ZB。虽然多数数据可能是垃圾，但存储公司没有选择性，其唯一目标就是尽可能多地保存下来。

之后长江存储总结了对于NAND闪存的三大挑战，分别为：I/O接口速度、容量密度和上市时机，而就在这次的会议上，长江储存提出了新的架构Xtacking，其首要目标便是三大挑战中的第一条，I/O接口速度。

就目前来说，NAND闪存主要沿用两种I/O接口标准，第一种是Intel、索尼、SK海力士、群联、西数、美光主推的ONFi，I/O接口速度最大1.2Gbps。第二种是三星、东芝主推的Toggle DDR，I/O速度最高1.4Gbps。

而这次长江存储推出的Xtacking，将I/O接口的速度提升到了3Gbps，速度与DRAM DDR4有来有回了。

据长江存储CEO杨士宁博士介绍，Xtacking，是在一片晶圆上独立加工负责数据I/O及记忆单元操作的外围电路。在另一片晶圆上被独立加工存储单元。当两片晶圆各自完工后，Xtacking技术只需一个处理步骤就可通过数百万根金属VIA(Vertical Interconnect Accesses，垂直互联通道)将二者键合接通电路，而且成本增加的并不多。

长江储存称，传统3D NAND架构中，外围电路约占芯片面积的20~30%，降低了芯片的存储密度。并且随着3D NAND技术堆叠的层数越来越高，外围电路可能会占到芯片整体面积的50%以上。Xtacking技术将外围电路置于存储单元之上，从而实现比传统3D NAND更高的存储密度。

同时Xtacking这项技术的优点不仅仅只局限在I/O速度上。官方称使用Xtacking架构，产品的开发时间可缩短三个月，生产周期可缩短20%。截至目前长江储存已成功将Xtacking技术应用于其第二代3D NAND产品的开发最高使用14nm工艺，并预计于2019年进入量产。

在推仔看来，长江储存这次算是彻彻底底给国内玩家以及强心针，还记得前段时间我们的国产颗粒还在使用着32层堆叠之时，三星等企业不仅仅通过价格松绑，来限制国产颗粒的利润，在另一边继续推出新技术，96堆叠也就是前段时候刚出来的，这次的Xtacking说明了我们还是在这个领域具备着十足的研发能力的，现在大家只要静静等待便好了。

顺带一提，这次长江存储的Xtacking与SK海力士的报告中纷纷把目光着眼于外围电路，这是不是也意味着，对于目前的颗粒来说，电路设计确实是一个瓶颈呢。

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