致态TiPlus7100成功的奥义：长江存储晶栈Xtacking架构解析

今年秋季，Intel和AMD最新平台发售，固态硬盘也全面开启PCIe Gen4时代。11月 日国内存储品牌致态发布了重量级的PCIe Gen4新品致态TiPlus7100，该产品最大的亮点就是采用YMTC长江存储最新的晶栈?Xtacking?3.0架构NAND，最高连续读写性能达到了7000MB/s和6000MB/s，堪称是DRAMLess产品的绝地反击。

为何晶栈?Xtacking3.0?架构有如此亮眼的表现？在讨论Xtacking之前，我们先简单了解一下固态硬盘核心组件——NAND FLASH的内部结构。

01 从2D NAND到3D NAND

NAND的容量大小取决于晶圆上存储阵列Array中可存放最小存储单元Cell的数量。对于早期的Planar NAND平面NAND（也叫2D NAND）来说，为了进一步提升存储容量和降低成本，就需要更先进的制程工艺，但制程工艺越高，晶圆的氧化层越薄，性能和可靠性都会出现下降，因此3D NAND开始成为主流。

所谓3D NAND就是相对于Planar NAND而言的，在晶圆上采用多层堆叠设计，如果把Planar NAND比喻成平房，那么3D NAND就是高楼大厦，提升NAND的容量只需堆叠更多层数的Array，使得容量、性能和可靠性都得到了保证。目前的3D TLC NAND已经到达100层以上，单颗NAND更是实现了1TB的容量。

02 NAND的架构

虽然3D NAND的概念比较容易理解，但落实到生产层面就不是单纯的叠层这么简单，这就涉及到NAND架构的问题。从全球主流的全球主流存储厂商出品的NAND横截面图可知，三星、铠侠和西部数据采用常规的并列式架构，将控制数据读取、写入的外围CMOS线路放在Array下方，只是技术层面有所不同。

例如三星V-NAND系列NAND，采用一次性加工、内存孔（Memory Hole）HARC蚀刻技术，铠侠/西部数据BiCS NAND则采用两个48层堆叠。并列式架构的优势是加工难度相对较低，但对于晶圆蚀刻设备和技术有着较高的要求。

Intel/Micron以及SK海力士则另辟蹊径采用了CuA（CMOS under Array）架构，这是一种将CMOS线路放置在Array以下的加工方式，从而增大了Array的面积。CuA架构的优势是能扩大单个芯片的存储密度，但同样存在制造工艺难度较高的问题。

而YMTC长江存储采用的是独家的?Xtacking?3.0架构，将CMOS线路用一种不同于存储核心Array的晶圆制造而成，分别通过Bonding工艺进行贴合，在指甲盖大小的面积的晶圆上通过数十亿根金属通道，将CMOS和Array进行连接，合二为一。

03 长江存储Xtacking?架构解析

从原理看，YMTC长江存储的晶栈?Xtacking?架构是两片独立的晶圆上，分别加工外围电路和存储单元，在逻辑工艺上有着更多的自主选择性，从而让NAND获取更多的I/O通道、更高的接口速度，例如最新的晶栈?Xtacking?3.0架构NAND具备四闪存通道和高达2400MT/s的接口带宽，这也是致态TiPlus7100即使采用DRAMLess方案，也能实现7000MB/s和6000MB/s的核心要义。

3D NAND颗粒最重要的发展方向是存储密度的优化。在传统3D NAND架构中，外围CMOS电路约占芯片面积20~30%，而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%，同等面积基础上，Xtacking?架构能够提供更多的存储单元，成为长江存储旗下致态品牌固态硬盘足容量的保证。

除了容量、性能和成本，NAND颗粒的良品率和出货量也是市场竞争的重要一环。自Xtacking?2.0技术诞生以来，长江存储NAND的良品率大幅度跃升，充分满足长江存储自有存储产品和客户供货的需求。除此之外，Xtacking?工艺存储单元和外围CMOS线路独立加工的特性，可以实现并行和模组化的灵活生产，较于传统结构产品研发周期可缩短三个月，生产周期可缩短20%，使得长江存储NAND的出货量也得到大幅提升。

作为长江存储核心技术品牌，晶栈Xtacking?代表着长江存储在3D NAND存储技术领域的创新进取和卓越贡献。经过9年技术积累和4年技术验证，晶栈Xtacking?架构NAND不仅性能和可靠性均达到了国际水准，更拥有较高的存储密度和更灵活的开发周期，这也是致态品牌SSD产品成功的奥义所在。

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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

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