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nand的发展存储大厂NAND技术迎突破

发布时间 : 2024-11-23

作者 : 小编

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存储大厂NAND技术迎突破

AI人工智能正推动存储器产业强劲发展，AI应用带来了海量数据增长，存储容量与性能需求大幅提升，NAND Flash技术重要性不断凸显。因此，存储大厂积极布局以HBM为代表的DRAM产业的同时，也并未忽视NAND Flash的发展。最新消息显示，三星、铠侠两家大厂NAND技术迎来新进展。

三星第九代V-NAND闪存材料技术突破

三星于今年4月宣布其第九代V-NAND 1Tb TLC产品开始量产，今年下半年三星将开始量产四层单元（QLC）第九代V-NAND。与第八代V-NAND相比，第九代V-NAND 1Tb TLC产品提高约50%的位密度(bit density)，功耗也降低了10%。

近日韩媒The Elec报道，三星正在其第九代V-NAND“金属布线”（metal wiring）环节中首次使用钼（Mo）材料。

图片来源：三星

“金属布线”是半导体制造过程的一大工艺，使用不同的方式连接数十亿个电子元器件，形成不同的半导体产品。目前， NAND工艺中所使用的材料是六氟化钨（WF6），随着钨材料在降低层高方面不断触及物理极限，三星开始锁定钼作为替代材料。据悉，三星的这一转变有望进一步缩减层高并降低NAND响应时间，性能将进一步提升。

不过，引入钼材料要求生产设备能够耐高温处理，将固态钼原材料加热至600 ℃以转化为气态，为此三星已从Lam Research公司引进了五台Mo沉积机，还计划明年再引进20台设备。此外，三星正与多家相关供应商紧密合作，包括Entegris和Air Liquide公司。

除了三星之外，报道指出美光等存储大厂也在探索钼应用于NAND生产的可行性。

铠侠推出2Tb BiCS8 FLASH QLC闪存

7月3日，铠侠宣布已经开始使用第八代BiCS FLASH 3D闪存技术，向客户提供2Tb BiCS8 FLASH QLC闪存样品，该款产品在业内拥有最大容量，有望推动包括人工智能在内的多个应用领域成长。

据悉，铠侠通过专有工艺和创新架构，在存储芯片的垂直和横向扩展上均取得了突破，并采用了CBA（CMOS直接键合到阵列）技术，以制造更高密度的设备，并提供3.6Gbps接口速度。

图片来源：铠侠

铠侠表示，与公司当前第五代QLC设备（铠侠产品中容量最高）相比，2Tb BiCS8 FLASH QLC闪存位密度约提高了2.3倍，写入能效比提高了约70%，全新的QLC产品架构可在单个存储器封装中堆叠16个芯片，从而为业界提供4TB容量，同时，它还具有更小的封装尺寸（11.5 x 13.5毫米）和1.5毫米的封装高度。

除了2Tb QLC之外，铠侠还在其产品组合中增加了1Tb QLC存储设备。与容量优化的2Tb QLC相比，性能优化的1Tb QLC的顺序写入速度大约提高了30%，读取延迟大约改善了15%。1Tb QLC将被部署于高性能应用中，包括客户端SSD和移动设备。

QLC SSD，人工智能领域大有可为！

与多层单元（MLC）和三层单元（TLC）设备相比，QLC NAND每个单元可以存储更多数据，显著提升存储性能。因此，无论是三星还是铠侠，针对QLC NAND皆有布局。

此前QLC NAND主要应用于PC OEM和消费级SSD领域，随着AI大模型不断普及，数据中心存储需求不断激增，QLC NAND尤其是QLC SSD有望在AI、大数据领域大显身手。

受益于AI需求推升，全球市场研究机构TrendForce集邦咨询预估，2024全年QLC Enterprise SSD出货位元上看30EB（EB；Exabyte），较2023年成长四倍。

图片来源：拍信网

TrendForce集邦咨询认为，QLC SSD在AI应用搭载提升有两大原因，一是该产品的读取速度，二是TCO（总体拥有成本；Total Cost of Ownership）优势。由于AI推理服务器主要以读取为主，资料写入次数不若AI训练型服务器（AI Training Server）频繁，相较HDD，QLC Enterprise SSD读取速度更胜，且容量已发展至64TB。

此外，实际上目前通用型服务器采用的HDD产品主流容量在20~24TB，而QLC Enterprise SSD（64TB）单个产品运转除了较HDD节省电力外，在存储容量布局上，QLC所需使用空间减少，可大幅降低TCO成本。AI Training已然成为重度电力消耗应用，因此节能将成为存储产品的优先考量，故大容量QLC Enterprise SSD产品更是大宗AI客户寻求的解决方案。

2023年NAND发展概况：层数增加，QLC改进

对于NAND闪存存储来说，2023年可谓过山车般跌宕起伏的一年。随着周期性衰退的结束，闪存出货量先是下降，而后又快速恢复。供应开始通过扩展3D层数和QLC闪存来提高成本效益，但PLC及其他更激进的每单位高bits闪存却令人失望。

2023年伊始，一众NAND制造商因供应过剩、需求疲软而收入低迷。但随着产量削减和客户逐渐耗尽现有库存，市场需求又开始再度攀升。

NAND代工制造商通过进一步提升3D NAND层数来打造更高容量的闪存芯片，借此降低了每GB闪存生产成本。因此在2023年中，我们见证了这波从218层起步的闪存层数升级。

三月：SK海力士在会议上发表了300层以上NAND技术论文，铠侠与西部数据也拿出了自家218层NAND。五月：美光打造出232层QLC SSD。八月：SK海力士推出321层NAND，三星推出300层NAND，随后又公布430层方案。十一月：长江存储率先出货232层QLC NAND。十二月：美光推出232层工作站SSD。

美光232层NAND示意图。

各大厂商均开始单独制造NAND控制逻辑，并将其放置在芯片的底部或顶部。

标准SSD使用TLC（三层单元）闪存，但SK海力士子公司Solidigm和长江存储等厂商则专注于开发QLC（四层单元）NAND，并通过超额单元配置和更好的写入周期管理功能来补偿QLC较低的写入周期寿命。

DDN、NetApp和VAST Data等存储阵列供应商利用QLC闪存以更低的每TB成本带来更高的全闪存阵列容量，这也让SSD阵营能够更好地与磁盘驱动器阵列展开竞争。

继2022年的尝试之后，今年各大闪存厂商都没有发布关于五层单元（每单元5 bits）乃至更进一步的技术公告。这样的层数设计似乎缺乏现实意义，因为6层和7层技术需要配合低温冷却，且写入寿命和读取速度也会随之下降。

这一年中，SSD存储容量有所增长，超过了磁盘驱动器容量，其中Solidigm处于领先地位。作为SK海力士的子公司，Solidigm推出了采用QLC闪存的61.44 TB D5-P5336 SSD产品。相比之下，其他SSD厂商的最大驱动器容量也仅在30 TB上下。但无论如何，这样的容量水平也仍然领先于磁盘驱动器。截至2023年底，采用传统记录技术的磁盘驱动器容量仅为24 TB，而通过牺牲写入速度换取容量的叠瓦记录技术也不过将容量提升至28 TB（来自西部数据）。而且在2024年内，我们可能会看到来自其他厂商以及Solidigm的更多60+ TB SSD。

采用EDSFF E1.S外形设计的Solidigim D5-P5336 SSD。

EDSFF外形尺寸开始出现，但其流行程度还不足以取代经典的M.2（口香糖式）与U.2（2.5英寸托架式）外形。

此前西部数据则有意收购或兼并其NAND合资伙伴铠侠，但最终未能顺利完成。作为通过贝恩财团对铠侠进行投资的出资方，SK海力士对这项并购计划表达了强烈反对。

西部数据今年计划将其磁盘驱动器与NAND晶圆代工/SSD业务拆分开来。

来自中国的长江存储在这一年中成功克服了美国的技术出口障碍，生产出232层NAND。如果能够延续这波良好势头，那么2024年内与铠侠和西部数据一道发布300层以上NAND技术也在情理之中。目前，铠侠与西部数据的BiCS 8技术已经达到218层的水平，但三方均落后于美光、三星和SK海力士。而如果不出意外，铠侠和西部数据在2024年内应该会公布BiCS 9 NAND计划并成功突破300层大关。

存储大厂NAND技术迎突破

2023年NAND发展概况：层数增加，QLC改进

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