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

【芯视野】三项冠军加身 国产128层3D NAND能否力战而出

在快速迭代的NAND闪存行业，国产闪存终于跨出最重要一步。4月13日，长江存储科技有限责任公司（以下简称长存）宣布其128层QLC 3D NAND 闪存（型号：X2-6070）研发成功，并已在多家控制器厂商SSD等终端存储产品上通过验证。

作为业界首发的128层QLC闪存，长存的新品还创下了三个第一：1、业界单位密度最高；2 、1.33Tb的最高单颗容量；3 、最快的1.6G/s的I/O速度。

地处曾经的疫情风暴中心，面对数月的各种压力，长存在技术上的突破实属不易。

跳级的必要性

长存在成功研发64层3D NAND后，没有循规蹈矩地升级96层，而是直接选择128层。这个看似冒险的决策，现在证明了必要性。

从2019年开始，业界几大主要玩家都陆续跨进了128层时代。目前的业界第一三星公司在2019 年 6 月就推出了第六代 V-NAND（128 层 256Gb 3D TLC NAND），8 月份宣布基于该技术已批量生产 250GB SATA SSD，同年11 月实现了第六代 128 层 512Gb TLC 3D NAND的量产。

SK海力士于2019年6月公开发布128层4D TLC NAND，相较于96层的生产效率提高40%。之后，SK海力士在2019年11月份向主要客户交付基于128层1Tb 4D NAND的工程样品，包括1TB UFS 3.1、2TB 客户端cSSD、16TB 企业级eSSD。而在近日，SK 海力士宣布推出基于首款128层 1Tb TLC 4D NAND闪存的企业级SSD-- PE8111，这也是全世界第一次在商用方案中应用128层堆叠TLC NAND闪存颗粒。需要说明的是，SK海力士的芯片单颗容量为1Tb。

更名为铠侠的原东芝闪存部门，2020年1月宣布和合作伙伴Western Digital（西部数据）携手研发出3D BiCS FLASH第5代产品，采用112层3D NAND技术。BiCS5架构主要基于TLC和QLC技术，单颗Die容量可达1.33Tb，将在2020年下半年大规模生产。

美光早在2019年10月就实现了第一批第四代3D NAND芯片流片出样。在2020财年Q2财报电话会议上，美光表示已在第一季度开始批量生产第四代128层3D NAND，将在第三季度开始出货。

根据规划，长江存储128层NAND产品的量产时间将在今年年底到2021年上半年之间，随着产能和良率的逐步提升，预计2021年将实现10万片/月的产能。在时间上，长存并没有明显的落后。

依照目前的情况，128层3D NAND已经开始大量进入企业存储市场。如果不能把握住技术升级带来的机会，就可能在新一轮市场竞争中掉队。目前，长存对自己的产品也很有信心，认为其成本优势会带来广阔的应用前景，并最终获得盈利。

独门的技术选择

Xtacking®2.0是长存128层产品的独门绝技，是Xtacking技术的重大升级。

采用Xtacking，可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。这样的加工方式有利于选择合适的先进逻辑工艺，以让NAND获取更高的I/O接口速度及更多的操作功能。存储单元同样也将在另一片晶圆上被独立加工。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，而且只增加了有限的成本。

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。随着3D NAND技术堆叠到128层甚至更高，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。

外界曾比较了SK海力士的4D闪存和Xtacking架构，发现其外围电路置于存储单元下方。从最终表现来看，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。

本次发布的产品，由于使用了Xtacking®2.0，可在1.2V Vccq电压下实现1.6Gbps（Gigabits/s 千兆位/秒）的数据传输速率，为当前业界最高。

主推QLC而非TLC，是本次发布的另一特点。据介绍，每颗X2-6070 QLC闪存芯片拥有128层三维堆栈，共有超过3,665亿个有效的电荷俘获型（Charge-Trap）存储单元 ，每个存储单元可存储4字位（bit）的数据，共提供1.33Tb的存储容量。

相比TLC技术，QLC能带来更大的存储容量以及更低廉的单位成本，但因为其稳定性较差以及P/E寿命而备受质疑。然而，随着3D NAND技术的进展，随着堆叠技术的发展，QLC已经有了很大的进步。闪存和SSD领域知名市场研究公司Forward Insights创始人兼首席分析师Gregory Wong就认为：“QLC降低了NAND闪存单位字节（Byte）的成本，更适合作为大容量存储介质。随着主流消费类SSD容量迈入512GB及以上，QLC SSD未来市场增量将非常可观。”

业界大厂纷纷跟进，英特尔已经在660P系列、665P系列和傲腾Memory H10存储解决方案中使用了QLC技术，计划推出的下一代144层3D NAND也将先推QLC架构。美光也于近日宣布首款基于QLC的5210 SATA SSD，已获得大多数主要服务器OEM的认证。

同时，铠侠/西部数据计划推出112层1.33Tb QLC产品，三星也构建了从Z-SSD到QLC SSD的全方位产品线。

长存本次推出的QLC产品，因为密度更高，所以比同代的TLC更具有价格优势。而且，长存还专门做了技术升级，提高了QLC产品的读取能力，使其延迟时间比TLC短，非常适合在线会议、在线视频等对写入要求不是很高的场景。

不过，长存也并非放弃了TLC，本次发布的产品还有128层512Gb TLC（3 bit/cell）规格闪存芯片，型号为X2-9060，以满足不同应用场景的需求。

恢复增长的市场

据DRAMeXchange数据，2019年Q4季度全球NAND闪存市场营收125.46亿美元，环比增长8.5%，位元出货量增长10%左右，合约价也由跌转涨。

但突发的疫情打乱了节奏，让各大存储厂商纷纷调低了预期。好消息是，占半导体收入约三分之一的存储器市场规模仍将在今年达到1247亿美元，较上年增长13.9%。

这其中最大的原因就是数据中心、企业级等领域在5G建设的推动下对存储芯片需求稳定，再加上“疫情”推动网上直播、线上电子商务、线上教育、远程办公等需求的增加，让存储芯片行情水涨船高。

4月7日，三星发布一季度财报业绩预告，公司营收预计较上年同期增长5%，达55万亿韩元。受疫情影响，智能手机和电视的销售下滑，但数据中心的需求提振了其存储业务。

Gartner研究业务副总裁理查德·戈登就指出，由于从2019年开始严重缺货，NAND 闪存收入预计在2020年将增加40%，而DRAM预计将下滑2.4%。他认为：“由于需要通过持续的战略投资来支持更多的远程工作和在线访问，超大规模数据中心和通信基础设施领域将更能抵抗需求下滑。”

相关行业人士也表示，所有地区的数据中心需求看起来都很强劲，并导致供应短缺。

这种情况将会刺激各大存储器厂商，使得存储器的军备竞赛更趋白热化。对于初入这扇大门的长存来说，将要应对环伺的强敌，同时还要面对良率的提升，产能的爬坡，以及扩大市场占有率等一系列挑战。

所以，真正的大考，从今天才开始！

（校对/范蓉）

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