nand芯片技术 232层3D闪存芯片来了：单片容量2TB，传输速度提高50%

发布时间 : 2024-11-24

作者 : 小编

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232层3D闪存芯片来了：单片容量2TB，传输速度提高50%

Pine 发自凹非寺

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232 层的3D闪存芯片来了，数据传输速率提高50%，容量可达2TB。

美光继上次抢先推出176层3D NAND后，近日又率先推出全球首款232层NAND。

△图源美光科技

说起来，跟NAND层数较劲这事儿，并不是美光一家在做。

比如美光的老对手三星，相关研究中心也聚焦在层数上：此前，三星曾抢先业界公布了第八代V-NAND的细节，堆栈层数超过200层。

所以这样“堆高高”，究竟能给芯片性能带来多大的提升？

堆栈层数就像盖楼房

层数越高，NAND闪存可具有的容量就越大。

可以做这样一个简单的比喻：

在一个人满为患的城市，这里的房地产价格昂贵，向外扩展成本很大，唯一的办法是通过增加楼层以支持不断增长的人口，这里的楼层就相当于NAND层。

同样的，停车场和一些基础设施主要位于建筑物下方，以提高空间效率，这相当于最底下的CMOS层。

将NAND的位单元阵列堆叠到更多层中，可在每平方毫米硅片上提供更多存储位，从而实现更高的密度和更低的成本。

3D NAND把解决思路从单纯提高制程工艺转变为堆叠多层，成功解决了平面NAND在增加容量的同时性能降低的问题，实现容量、速度、能效及可靠性等全方位提升。

△图源美光科技

和三星等其他竞争芯片相比，美光新的技术将每单位面积存储的比特密度提高了一倍，每平方毫米封装14.6Gb。

它的1TB芯片被捆绑在2TB的封装中，每个封装的边长都不超过一厘米，可以存储大约两周时长的4K视频。

此外，美光还对芯片的最底层进行了改进，最底下的CMOS层由逻辑和其他电路组成，这些电路负责控制读写操作以及尽可能快速有效地在芯片内外获取数据。

美光优化了其数据传输路径，降低芯片输入和输出的电容，将数据传输速率提高了50%，达到2.4Gb/s。

层数的较量

自从NAND 闪存进入3D时代，堆栈层数犹如摩天大楼一样越来越高，从最初的24/32层一路堆到了现在的176层甚至232层。

层数的较量是整个行业的竞争，三星、美光、SK海力士等企业都致力于层数的突破。

三星是NAND闪存的龙头企业，3D NAND就源于三星。

2013年，三星设计了一种垂直堆叠单元的方法，它将单元集中在单个楼层（类似高层公寓）上，这也是全球首个3D单元结构“V-NAND”，当年可以实现24层堆叠。

此后，三星不断更新技术和扩增产业线，10年间推出了7代产品，以维护自己在NAND闪存市场的地位。

2020年，三星推出了176层的第七代“V-NAND”，它采用了“双堆栈”技术，不是一次性蚀刻所有层，而是将它们分成两部分，然后一层一层堆叠。

因此，第七代V-NAND相较于与第六代的100层，其单元体积减少了35％，它可以在不增加高度的情况下将层数增加到176，同时还可以降低功耗，使效率提高16％。

不过，虽然三星曾抢先公布了第八代V-NAND的细节，称其堆栈层数会超过200层，但这回率先量产200+层闪存的却是美光。

值得一提的是，在此次美光发布的232层3D闪存芯片中，NAND的堆栈技术并不是首创，而是与三星第七代一样采用“双堆栈”技术。

也就是说，将232层分成两部分，每个部分116层，这些层的堆叠是从一个深而窄的孔开始，通过导体和绝缘体的交替层蚀刻。

然后用材料填充孔并加工形成器件的比特存储部分。蚀刻和填充穿过所有这些层的孔的能力是该技术的关键限制。

△图注：图源美光科技

目前，国产芯片企业长江存储的第三代QLC 3D NAND闪存实现了128层堆叠。

对于层数的较量，网友也抱有很乐观的态度：

增加层数几乎不会带来新的问题。

参考链接：[1] https://spectrum.ieee.org/micron-is-first-to-deliver-3d-flash-chips-with-more-than-200-layers[2] https://news.ycombinator.com/item?id=32243862[3] https://ee.ofweek.com/2021-12/ART-8320315-8110-30538953.html

— 完 —

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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。

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△图源美光科技

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