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nand flash array 两大存储巨头眼里的3D NAND FLASH未来

发布时间 : 2025-01-20

作者 : 小编

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两大存储巨头眼里的3D NAND FLASH未来

来源：内容由半导体行业观察（ID：icbank）编译自tomshardware，谢谢。

5月15日至18日，半导体存储器国际会议International Memory Workshop 2022（IMW2022）在德国德累斯顿隆重召开。在本届会议中，共收取了论文43篇，接受口头报告16篇，但其接受率为37%。这些论文设计的范围包括Flash 、EEPROM、MRAM 、RRAM 为 11%，PCM、Special Technology 和NVM应用。

在这里，我们来总结一下本届会议上存储巨头的一些观点和看法。

美光：3D NAND继续往多层次发展

从2016年左右开始，因为二维设计不能满足其不断增加的小型化需求，NAND Flash走向了三维。之后，为了提高内存密度，各家公司都在认真增加三维堆栈的数量。例如，美光比其他任何厂商都更早地开始生产 32 层、64 层、96 层、128 层和 176 层。

此外，在 2022 年 5 月 13 日，就在 IMW2022 召开之前，有消息称美光将从 2022 年下半年开始生产 232 层 3D NAND。这个 232 层的 3D NAND 是一个 116 层NAND的两层堆栈。采用了所谓的CMOS Under Array（CUA）结构，在存储器阵列的底部形成CMOS电路。

虽然增加堆栈数量以提高 3D NAND 的存储密度的方法很简单，但存在很多问题，例如打开高纵横比（AR）的存储孔并将其嵌入。因此，美光提出通过在平面方向，即XY方向上对存储单元进行缩放，以及依靠堆叠层数的增加来提高存储密度。

下午是存储单元阵列的平面图。一个称为柱子的小圆圈上下贯穿阵列堆栈。围绕柱子的字线 (WL) 充当存储器件的栅极。即柱与WL的交叉点形成存储装置的存储单元。该单元以不同的阈值电压 (Vt) 水平存储二进制数据。

WL之间的间隙称为狭缝，这是形成存储单元阵列所必需的结构。这是因为在 3D NAND 中，牺牲 WL 材料的去除和金属栅极的形成是通过狭缝进行的。

对于具有这种结构的存储单元，有两种 XY 缩放方法。一是减小狭缝宽度，二是密集排列柱子。这种方法称为支柱间距缩放。

从上图还可以看到，当狭缝之间的柱的数量增加到4柱、9柱、14柱和24柱时的存储单元的平面图。当狭缝之间的柱子数量超过 14 时，缩放收益开始减少。因此，可以看出，一味地进行柱间距缩放是不够的。

因此我们可以得出结论，有两种方法可以提高 3D NAND 的存储密度。一种是在垂直方向上堆叠存储单元。另一种是在XY方向上缩放存储单元。

前者对高AR孔的加工和上下级孔的对位难度逐年增加。而后者则是缓解存储器单元在垂直方向的指数堆叠的利器。

但是，如果继续XY方向的微细化，则CMOS的小型化将继续，例如，可以将FinFET用于晶体管，或者可以将EUV应用于精细布线。这些不能轻易采用，因为它们会导致内存成本飙升。

因此，当在 XY 方向缩放时，有必要想办法减少每比特的 CMOS 电路，以避免使用 FinFET 和 EUV 等昂贵的工艺。

综上所述，垂直堆叠、XY方向缩放、CMOS电路每比特减少这三种方法对于未来3D NAND的高密度化具有重要意义。

铠侠：液氮温度下的3D NAND演示实验

数据中心发热已成为全球性问题。因此，出现了浸入式服务器。这也就是我对 Kioxia 的公告感到惊讶的原因，因为他们通过将 3D NAND 浸入绝对温度为 77K 的液氮中来展示其操作。

铠侠在 2019 年的 IEDM 上报告称，它通过将 3D NAND 存储单元分成两部分来运行 5 位/单元（Penta Level Cell (PLC)）。2021 年 12 月，铠侠在 IEEE Journal on Exploratory Solid-State Computational Devices and Circuits上通过将 3D NAND 浸入液氮中成功实现了 6 位/单元操作，并已经完成相关操作。

这一次，铠侠的目标是通过将3D NAND浸入液氮中，并将3D NAND的沟道从多晶硅改为单晶硅，进一步提高价值。下图左侧显示了本次使用的单晶硅沟道的3D NAND结构，下图右侧则显示了实验设置。

首先，3D NAND的读取噪声结果如图所示。如果将多晶硅沟道在室温300K的读取噪声标准化为“1”，只需将其浸入77K的液氮中即可将噪声降低至70%，室温300K时噪声为60%在单晶通道中，当单晶沟道浸入液氮77K时，噪声降低到40%以下。

接着，数据保持特性的实验结果如图所示。发现在 77K 的液氮温度下，由于电荷损失导致的 Vth 偏移小于在 300K 的室温下。还发现多晶硅和单晶硅在液氮温度为 77 K 时没有区别。

然后，将单晶沟道的3D NAND浸入液氮中运行，成功实现7bit/cell。

铠侠将5-bit/cell称之为Penta Level Cell (PLC)。6 位/单元会是 Hexa Level Cel (HLC) 吗？而7 bits/cell就是Hepta Level Cell (HLC)，但是缩写是6 bits/cell和7 bits/cell是一样的。我们应该如何区分？

就算能做到 7 bits/cell，但用液氮冷却 3D NAND 可能成本会很高（我也是这么认为的）。为此，铠侠对成本进行了估算，如图所示。

参考是在 300K 的室温下运行 4 位/单元 (QLC) 3D NAND 的情况进行的。

据铠侠测算，液氮冷却的成本不到芯片制造成本的10%。因此，在液氮 77K 中可以运行 7 位/单元的 3D NAND 的成本是参考的 64%。如果这个计算是正确的，用液氮冷却不会导致成本增加。

*免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点，不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系半导体行业观察。

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存储芯片 emmc、Nand flash、Nor flash之间有什么区别

随着存储领域的发展，有很多不同的存储介质，今天ICMAX就带大家来分一分emmc、Nand flash、Nor flash之间的区别。

一、定义及区别

emmc：全称为embeded MultiMedia Card，是一种嵌入式非易失性存储器系统，由Nand flash和Nand flash控制器组成，以BGA方式封装在一款chip上。

Nand flash：一种存储数据介质；若要读取其中的数据，需要外接的主控电路。

Nor flash：也是一种存储介质；它的存储空间一般比较小，但它可以不用初始化，可以在其内部运行程序，一般在其存储一些初始化内存的固件代码。

这里主要重点讲的是emmc 和Nand flash 之间的区别，主要区别如下：

(1) 在组成结构上：emmc存储芯片简化了存储器的设计，将NAND Flash芯片和控制芯片以MCP技术封装在一起，省去零组件耗用电路板的面积，同时也让手机厂商或是计算机厂商在设计新产品时的便利性大大提高。而NAND Flash仅仅只是一块存储设备，若要进行数据传输的话，只能通过主机端的控制器来进行操作，两者的结构图如下：

(2) 在功能上：eMMC则在其内部集成了 Flash Controller，包括了协议、擦写均衡、坏块管理、ECC校验、电源管理、时钟管理、数据存取等功能。相比于直接将NAND Flash接入到Host 端，eMMC屏蔽了 NAND Flash 的物理特性，可以减少 Host 端软件的复杂度，让 Host 端专注于上层业务，省去对 NAND Flash 进行特殊的处理。同时，eMMC通过使用Cache、Memory Array 等技术，在读写性能上也比 NAND Flash要好很多。而NAND Flash 是直接接入 Host 端的，Host 端通常需要有 NAND Flash Translation Layer，即 NFTL 或者 NAND Flash 文件系统来做坏块管理、ECC等的功能。另一方面，emmc的读写速度也比NAND Flash的读写速度快，emmc的读写可高达每秒50MB到100MB以上；

二、emmc的初始化和数据通信

emmc与主机之间通信的结构图：

其中包括Card Interface（CMD，DATA，CLK）、Memory core interface、总线接口控制（Card Interface Controller）、电源控制、寄存器组。

图中寄存器组的功能见下表：

CID: 卡身份识别寄存器 128bit,只读，厂家号，产品号，串号，生产日期。

RCA: 卡地址寄存器，可写的16bit寄存器，存有Device identification模式由host分配的通信地址，host会在代码里面记录这个地址，MMC则存入RCA寄存器，默认值为0x0001。保留0x0000以用来将all device设置为等待CMD7命令状态。

CSD: 卡专有数据寄存器部分可读写128bit，卡容量，最大传输速率，读写操作的最大电流、电压，读写擦出块的最大长度等。

SCR: 卡配置寄存器，可写的 64bit 是否用Security特性(LINUX不支持)，以及数据位宽（1bit或4bit）。

OCR: 卡操作电压寄存器 32位，只读，每隔0.1V占1位，第31位卡上电过程是否完成。

（5）Device Identification Mode和初始化

MMC通过发CMD的方式来实现卡的初始化和数据通信

Device Identification Mode包括3个阶段Idle State、Ready State、Identification State。

Idle State下，eMMC Device会进行内部初始化，Host需要持续发送CMD1命令，查询eMMC Device是否已经完成初始化，同时进行工作电压和寻址模式协商：eMMC Device 在接收到这些信息后，会将OCR的内容（MMC出厂就烧录在里面的卡的操作电压值）通过 Response 返回给 Host，其中包含了 eMMC Device 是否完成初始化的标志位、设备工作电压范围 Voltage Range 和存储访问模式 Memory Access Mode 信息。

如果 eMMC Devcie 和 Host 所支持的工作电压和寻址模式不匹配，那么 eMMC Device 会进入Inactive State。

Ready State，MMC完成初始化后，就会进入该阶段。

在该 State 下，Host 会发送 CMD2命令，获取eMMC Device 的CID。

CID，即 Device identification number，用于标识一个 eMMC Device。它包含了 eMMC Device 的制造商、OEM、设备名称、设备序列号、生产年份等信息，每一个 eMMC Device 的 CID 都是唯一的，不会与其他的 eMMC Device 完全相同。

eMMC Device 接收到CMD2后，会将 127 Bits 的CID的内容通过 Response返回给 Host。

Identification State，发送完 CID 后，eMMC Device就会进入该阶段。

Host 会发送参数包含 16 Bits RCA 的CMD3命令，为eMMC Device 分配 RCA。设定完 RCA 后，eMMC Devcie 就完成了 Devcie Identification，进入 Data Transfer Mode。

注：emmc初始化和数据通信的过程，有点类似USB协议，USB控制器去发送请求给USB设备，以IN包和OUT包的形式去建立与USB设备之间的通信，默认状态下，USB设备也是0地址的，与控制器分配设备地址。（感兴趣的可以看一下USB2.0的协议，主要是第8和9章内容）

三、eMMC工作电压和上电过程

根据工作电压的不同，MMC卡可以分为两类：

High Voltage MultiMediaCard，工作电压为3.3V左右。

Dual Voltage MultiMediaCard，工作电压有两种，1.70V~1.95V和2.7V~3.6V，CPU可以根据需要切换

我所使用的eMMC实测工作电压VCC为2.80V~2.96V，VCCQ为1.70V~1.82V。

其中VCC为MMC Controller/Flash Controller的供电电压，VCCQ为Memory和Controller之间I/O的供电。

上电初始化阶段MMC时钟频率为400KHz，需要等电压调整到它要求的VCC时（host去获取OCR中记录的电压值，上面有说），MMC时钟才会调整到更高的正常工作频率。

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