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128 nand 长江存储128层TLC闪存拆解：存储密度高达848Gbmm²，远超三星等

发布时间 : 2024-10-05

作者 : 小编

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长江存储128层TLC闪存拆解：存储密度高达848Gbmm²，远超三星等

去年4月，国产存储芯片厂商长江存储（YMTC）宣布其128层3D NAND 闪存研发成功。包括拥有业界最高单位面积存储密度，最高I/O传输速度和最高单颗NAND 闪存芯片容量的1.33Tb 128层QLC 3D NAND闪存，以及512Gb 128层TLC闪存。

近日，国外权威研究机构Tech Insights对长江存储的128层TLC 3D闪存进行了芯片级的拆解，发现其存储密度达到了目前业界最高的8.48 Gb/mm²，远高于三星、美光、SK海力士等一线NAND芯片大厂。

据介绍，Tech Insights拆解的是Asgard（阿斯加特）的PCIe4.0 NVMe1.4 AN4 1TB SSD，其内部采用的正是长江存储的128层TLC 3D NAND 闪存芯片，这也意味着长江存储128层TLC 3D NAND 闪存芯片已量产。该SSD硬盘的PCB上总共四颗256GB NAND闪存，单个封装内是4颗芯片，也就是说单颗芯片容量为512Gb。该NAND闪存的型号为YMN09TC1B1HC6C（日期代码：2021 9W）。

△长江存储512 Gb 128层3D TLC NAND 芯片的外观，型号为YMN09TC1B1HC6C

根据长江存储此前公布的数据显示，在传统3D NAND架构中，外围电路约占芯片面积的20~30%，这也使得芯片的存储密度大幅降低。而随着3D NAND技术堆叠到128层甚至更高，外围电路所占据的芯片面积或将达到50%以上。而Xtacking技术则是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。

所以，长江存储512Gb 128层Xtacking 2.0 TLC芯片同样也是采用了两个晶圆来集成3D NAND，因此拆解后可以找到两个die，一个用于NAND阵列的die，另一个用于CMOS外围电路的die。

△长江存储512 Gb 128层Xtacking 2.0 3D TLC NAND die标记（ CDT1B）

△长江存储512 Gb 128层Xtacking 2.0 3D TLC NAND芯片COMS外围的die标记（CDT1A 或 CDT1B）

作为对比，上一代的64层 Xtacking 1.0架构的TLC NAND die标记为（Y01-08 BCT1B）和 CMOS外围电路die 标记为（Y01A08 BCT1B）。

根据Tech Insights的实测，长江存储512Gb 128层Xtacking 2.0 TLC的die尺寸为60.42mm²，这也意味着其单位密度增加到了8.48 Gb/mm2，比 256Gb 64层的Xtacking 1.0 die 高出了92% 。读取速度达到了7500 MB/s，写入速度也高达5500 MB/s。

△长江存储512Gb 128层Xtacking 2.0 TLC NAND的die平面图

CMOS外围电路die则集成了页缓冲器、列解码器、电荷泵、全局数据通路和电压发生器/选择器。

△长江存储512Gb 128层Xtacking 2.0 TLC NAND芯片的CMOS外围电路die平面图

Tech Insights称，长江存储128层Xtacking 2.0单元体系结构由两个通过层接口缓冲层连接的层组成，这与KIOXIA 112L BiCS 3D NAND结构的过程相同。单元大小、CSL间距和9孔VC布局与以前的64L Xtacking 1.0单元保持相同的设计和尺寸（水平/垂直方向间距）。门的总数为141（141T），包括用于TLC操作的选择器等。

△垂直方向的长江存储3D NAND单元结构，以及注释为32L（T-CAT带39T）、64L（Xtacking 1.0带73T）和128L（Xtacking 2.0带141T）的门的总数。

Tech Insights表示，长江存储128层Xtacking 2.0上层有72个钨闸门，下层有69个闸门。包括BEOL Al、NAND die和外围逻辑管芯在内的金属层总数为10，这意味着与64L Xtacking 1.0工艺集成相比，外围逻辑管芯中增加了两个铜金属层。通道VC孔高度增加一倍，为8.49µm。

△长江存储三代3D NAND的比较：Gen1（32L）、Gen2（64L，Xtacking 1.0）和Gen3（128L，Xtacking 2.0）。

与三星（V-NAND）、美光（CTF CuA）和 SK海力士（4D PUC）的现有128层512 Gb 3D TLC NAND 芯片的die尺寸相比，长江存储512Gb 128层Xtacking 2.0 TLC NAND芯片的die尺寸更小，单位密度最高。

长江存储128层TLC NAND die平面布置图和两层阵列结构与美光和SK海力士相同，但长江存储的每个字符串的选择器和虚拟WL数为13，小于美光和SK 海力士（两者均为147T）。由于长江存储所采用的Xtacking混合键合方法，使得其使用的金属层数量远高于其他产品。

△128层512 Gb 3D TLC NAND产品的比较，包括刚刚发布的YMTC 128L Xtacking 2.0 3D NAND。

从上面的对比数据来看，长江存储512Gb 128层Xtacking 2.0 TLC NAND芯片的单位存储密度达到了8.48b/mm²，远高于三星的6.91Gb/mm²、美光的7.76Gb/mm2、SK海力士的8.13Gb/mm²，达到了目前业界最高单位存储密度。

目前长江存储Xtacking 2.0架构的512Gb 128层TLC NAND芯片已量产。虽然三星、SK海力士、美光等厂商也在致力于开发176层3D NAND闪存芯片，但是他们目前最先进的量产产品还是128层。

作为一家成立仅数年的国产NAND Flash闪存芯片厂商，长江存储在国外巨头已领跑数十年的存储技术领域，能够在如此短的时间内追赶上来，并且取得技术上的领先，实属不易。

编辑：芯智讯-浪客剑资料来源：Tech Insights

芯片级解密YMTC NAND Xtacking 30技术

长江存储YMTC自从2016年成立以来，一直在吸引外界的关注。作为NAND国产厂商，被寄予厚望。在2018年FMS闪存峰会发布了Xtacking 1.0的NAND架构，凭借该技术荣获了“最具创新初创闪存企业”。

在2019年又发布了Xtacking 2.0的NAND架构。根据官网介绍，Xtacking 2.0进一步提升了闪存吞吐速率和提升系统级存储综合性能。

在2022年8月的FMS闪存峰会上，YMTC发布了基于Xtacking 3.0架构的X3-9070 TLC NAND。

2022年，对于YMTC长江存储也是一个惊心动魄的一年，先是有进入iphone14 NAND颗粒供应的振奋，后又有被M国限制的低落。根据YMTC的官网消息，NAND架构Xtacking 3.0现已上市。第一个使用Xtacking 3.0架构的产品是长江存储的消费级PCIe 4.0 SSD固态硬盘TiPlus 7100 。基于TLC NAND，PCIe Gen4x4，采用DRAM-less无缓存架构。NAND接口速率达到2400 MT/s，与上一代相比速度提高50%，支持HMB机制和SLC缓存。

YMTC NAND Xtacking 3.0被视为2022年最具颠覆性的技术之一。针对第一个使用NAND Xtacking 3.0的产品，TechInsights团队购买了512GB和1TB容量的TiPlus7100 SSD，并进行了详细的芯片分析，我们一起来看看，有没有惊喜的发现？下图是TiPlus7100 1TB包装图片。

针对1TB容量的TiPlus7100 SSD先来个正面照，看起来PCB有4个NAND die槽位，其中两个槽位是空闲的，间隔有两个512GB的NAND Die Package，主控来自联芸科技Maxio-Tech。

NAND Die采用132-pin BGA MCP封装，尺寸大小18.0 mm× 12.0 mm × 0.9 mm。

从颗粒丝印信息看到NAND Die封装日期是22年第37周，也即9月上旬。这个时间正好是在2022 FMS闪存峰会正式发布Xtacking 3.0架构的1个月之后。

每个NAND Die Package封装了8个CDT2A标记的NAND Die。CDT2A NAND Die拥有2x2 Plane的架构。与之前YMTC 128L NAND 1x4 Plane的布局不同。

TechInsights的分析显示，YMTC CDT2A芯片实际上还是YMTC 128L 3D NAND，总门数Gates为141, 而并非官网宣传的Xtacking 3.0架构 。

不知道是TechInsights获取到的TiPlus7100 SSD不是正规来源？还是不够幸运？

Xtacking技术到底是什么？有什么样的魅力，我们一起回顾下：

根据YMTC官网的介绍，与传统的单片晶圆CuA(CMOS Under Array)的结构不同，Xtacking技术是两个晶圆独立制造CMOS外围电路和NAND存储阵列，在通过金属互联通道VIAs完成两片晶圆的键合，最终成为一个整体。

从Xtacking 1.0到Xtacking 3.0中包含的主要变化点有哪些？

Xtacking 1.0使用晶圆到晶圆键合 ，相比传统3DNAND架构，Xtacking技术创新的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，芯片面积可减少约25%。同时利用存储单元和外围电路的独立加工优势，实现了并行的、模块化的产品设计及制造，产品开发时间可缩短三个月，生产周期可缩短20%。此外，这种模块化的方式也为引入NAND外围电路的创新功能以实现NAND闪存的定制化提供了可能。Xtacking 2.0使用NiSi替代WSi ，让CMOS外围电路有更好的器件性能，进一步提升闪存IO吞吐速率、也使得系统级存储的综合性能得到提升。Xtacking 3.0采用了存储单元晶圆的背面源连接 (BSSC，back side source connect), 好处是对工艺进行了简化，最终得到了降低成本的优势。

根据2022年FMS上的介绍，基于Xtacking 3.0架构的NAND芯片X3-9070，采用了2x3的6 Planes架构。每个Plane在中央位置具有独立的X-DEC解码器，可以实现multi-plane独立异步操作，使得Xtacking 3.0的IO速率提升50%。与edge X-DEC相比，Center X-DEC设计将WL电容减少了一半，并降低了RC负载和RC延迟(tRC), 最终性能相较edge X-DEC得到15~20%的提升。

Xtacking 3.0架构，预计应该是232L NAND芯片出现，期待早日在市场看到Xtacking 3.0应用的大规模成品。

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