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    為了提升密度,閃存廠商們拼了

    Aug,22,2022 << Return list

    在如今大數據時代,NAND閃存無疑是數據存儲的奠基者。不管是手機、電腦、家電還是汽車、安防等行業,都少不了NAND閃存的身影,其重要性可見一斑。


    在此趨勢下,全球NAND Flash存儲容量持續保持增長,2020年存儲容量達到5300億GB,預計2022年將達6110億GB。


    隨著存儲容量的不斷增長,NAND Flash存儲原廠的產品生產工藝也在不斷發展,存儲晶圓工藝制程、電子單元密度、閃存堆疊層數等都經歷了較大的技術迭代和發展。


    發展至今,目前全球NAND Flash市況如何?各大玩家取得了哪些進展?以及在提升NAND閃存密度方面,行業廠商正在進行哪些努力,市場未來又將走向何方?


    為了提升密度,閃存廠商做了哪些努力?


    2D NAND轉向3D NAND,層數升級


    20世紀80年代,2D NAND技術誕生并實現商業化。


    在2D NAND閃存時代,隨著晶體管尺寸不斷微縮,NAND閃存的存儲密度持續提高。當密度提高至一定程度,NAND閃存中存儲的電荷數量受限,讀寫容量也難以進一步提升。而對于存儲陣列來說,耦合效應和干擾也是個問題。


    因此,NAND閃存逐漸從二維平面向三維堆疊結構過渡,3D NAND把解決思路從單純提高制程工藝轉變為堆疊多層,成功解決了平面NAND在增加容量的同時性能降低的問題,實現容量、速度、能效及可靠性等全方位提升。


    除了技術限制外,制造成本也是推動閃存顆粒走向3D結構的關鍵。


    分析機構Objective Analysis董事長兼資深分析師Jim Handy指出,“3D NAND是NAND存儲廠商克服當前困難的一個方式,存儲廠商已經沒有辦法在原有2D NAND存儲的基礎上降低成本,因此他們選擇了用3D技術來‘節流’?!?/p>


    回顧3D NAND閃存的發展歷程,東芝最早在2007年提出了此概念,并表明NAND閃存未來的發展趨勢將集中于降低單位bit成本。2013年,三星推出了全球首款V-NAND閃存,并投入量產,代表著3D NAND閃存從技術概念走向了商業市場。


    三星第一代V-NAND閃存采用了三星電子獨創圓柱形3D CTF和垂直堆疊技術,雖然只有24層,但卻突破了平面技術的瓶頸。反觀東芝,其第一款3D NAND(48層)量產產品比三星晚了整整三年。


    有數據統計,2019年,3D NAND的滲透率為72.6%,已遠超2D NAND,且未來仍將持續提高,預計2025年3D NAND 將占閃存總市場的97.5%。


    自從NAND閃存進入3D時代,芯片的層數比拼一直是各大NAND閃存芯片廠商競爭的重點,堆棧層數猶如摩天大樓一樣越來越高。在3D NAND技術賽跑中,存儲廠商從最初的24層、32層,一路堆到了128層、176層,甚至200+層。層數越高,NAND閃存可具有的容量就越大,增加層數以及提高產量也是衡量技術實力的標準。


    前不久,美光宣布其232層NAND閃存芯片實現量產,這也是全球首款突破200層大關的固態存儲芯片。


    與競爭對手的芯片相比,美光全新的技術將每單位面積存儲的比特密度增加了一倍,每平方毫米封裝14.6Gb,這一密度相比自家的176層NAND提升了約43%,且封裝尺寸比前幾代產品還要小28%,預計今年底開始量產。


    將存儲芯片升級到232層是美光已部署的許多技術的組合和擴展,美光采用了雙堆棧閃存設計,這意味著每個成品芯片由兩個116層的芯片組成,在一個稱為串堆棧的過程中粘合在一起。美光公司還指出,創建高長寬比孔的先進工藝和材料的進步是提高密度的原因。


    縱覽行業市場現狀,一些競爭對手目前正在提供176層技術,有些廠商表示正在緊隨步伐,或者已經有了超過200層的工程樣品??梢?,閃存層數之戰已經進入白熱化,消息源源不斷。


    緊隨美光之后,8月3日,SK海力士宣布成功研發了全球首款業界最高層數的238層NAND閃存,并且在2022閃存峰會上亮相了首款238層4D NAND閃存新產品。


    SK海力士自2020年12月完成176層NAND閃存研發以來,時隔僅1年7個月,就將層數突破到了238層的新高度。據悉,SK海力士已經開始向客戶送樣,并計劃在2023年上半年正式投入量產。


    此外,SK海力士此次238層NAND閃存在達到業界最高堆棧層數的同時還實現了全球最小的面積。


    原因在于SK海力士的4D架構,早在2018年研發的96層NAND閃存就導入了4D方式,相比3D方式,4D架構具有單元面積更小,生產效率更高的優點。為成功研發4D架構的芯片,SK海力士采用了電荷捕獲型技術(CTF)和PUC技術,進而確保了成本、性能、產品質量等層面的全球領先競爭力。


    此外,回看國內領先的閃存廠商,長江存儲也正在不斷縮短和世界領先水平的距離。長江存儲成立于2016年,當時國內閃存芯片基本上還是一片空白。


    僅用了一年時間,長江存儲就研制成功了中國第一顆3D NAND閃存芯片,然后在2018年實現了量產,實現了國產存儲芯片0的突破。后來長江存儲又自研出了Xtacking架構,大幅度的提高了存儲密度。并在2019年9月份,基于自研Xtacking架構推出了64層3D NAND Flash,拉近了與三星、美光之間的差距。


    緊接著,長江存儲實現了跳躍式發展,跳過了96層,直接在2020年4月,發布了128層3D NAND 閃存,再次縮小與三星、美光的差距。


    前不久,據供應鏈消息稱,長江存儲推出了堆疊層數達232層的閃存芯片。


    在發稿前,有外媒消息顯示,三星正準備開始量產其第8代V-NAND內存,該內存將具有200多層,為固態存儲設備帶來更高的性能和位密度。三星表示,第8代V-NAND將是2.4Gbps的1Tb TLC裸片,將于2022年發貨,并預計在2023年推出了第9代V-NAND。


    此外,西部數據、鎧俠等廠商也在蠢蠢欲動,在往200+層3D NAND閃存領域發力,競爭愈發激烈。


    縱觀現在全球的閃存格局,各大廠商紛紛采取措施,為盡可能多的占領市場的進行擴產,正在往更多層數進行技術邁進。


    綜合來看,各個廠家的3D NAND閃存堆疊技術原理上基本類似,通過堆疊的方式,實現在更小的空間和面積完成各大的存儲容量。但是都有各自的技術架構和演進路線圖,并不完全一致,各家都有各家的技術工藝特色,如三星的V NAND、鎧俠的BiCS技術3D NAND、英特爾的3D XPoint NAND以及長江存儲的Xtacking架構等。


    三星電子雖是技術的奠基者并在過去一直領導市場發展,但在200層以上的競爭上,略落后于美光與SK海力士。SK海力士的4D NAND強調集成度和成本,美光232層3D NAND更加強調存儲密度和帶寬,產品主要側重的優勢點不同。


    對于未來NAND閃存層數的發展路徑,美光數據中心存儲副總裁Alvaro Toledo表示,未來的NAND芯片會是一條通往更多層的道路,挑戰肯定存在,但我們還沒有看到這條路的盡頭。


    早在2019年,SK海力士就做出過大膽假設,2025年推出500層堆疊產品,并在2032年實現800層以上。


    IMEC認為,1000層的NAND閃存也不是很遠,或在10年內就會出現。


    可見,層數之爭依舊是NAND閃存的主旋律。雖然現在還無法預測3D NAND最高可堆疊至多少層,不過隨著頭部企業持續加大3D NAND閃存市場布局,推動技術創新和演進,3D NAND閃存堆棧高度不斷突破極限。預計未來幾年,200層以上3D NAND閃存市場競爭將愈發激烈。


    芯片制程“雙刃劍”


    此外,NAND的制程是另一個影響NAND存儲密度的關鍵因素。2D NAND從早期50+nm到19nm,最后發展到了16/15nm,每次制程的升級都將NAND存儲密度提升到新的高度,但是NAND閃存的制程工藝是雙刃劍,容量提升、成本降低的同時可靠性及性能都在下降,因為工藝越先進,NAND的氧化層越薄,可靠性也越差,廠商就需要采取額外的手段來彌補,但這又會提高成本,以致于達到某個點之后制程工藝已經無法帶來優勢了。


    從TechInsights閃存路線圖中獲悉,2D NAND閃存以工藝制程演進為評判標準,而邁入3D NAND之后,工藝制程演進相對緩慢,堆疊層數取代工藝制程成為新的介質進化標準。


    從各廠商的技術藍圖來看,NAND Flash堆疊層數預計在2022年將達到2XX層,而工藝制程則可能停留在20nm左右。


    存儲單元位數,超越QLC


    盡管在各大廠商的閃存技術比拼中,閃存層數是提升存儲密度的直接評判標準之一,但層數并非唯一的判斷標準。


    除了添加越來越多的層數之外,NAND 閃存制造商還可以將多個存儲比特打包到單個設備中,以此提高存儲比特的密度。


    首先來了解一下cell的種類,按照每個cell能存儲的bit數分為SLC、MLC、TLC和QLC幾種。


    第一代SLC(Single-Level Cell):每單元可存儲1比特數據(1bit/cell),性能好、壽命長,可經受10萬次編程/擦寫循環,但容量低、成本高,如今已經非常罕見;


    第二代MLC(Multi-Level Cell):每單元可存儲2比特數據(2bits/cell),性能、壽命、容量、成各方面比較均衡,可經受1萬次編程/擦寫循環,現在只有在少數高端SSD中可以見到;


    第三代TLC(Trinary-Level Cell):每單元可存儲3比特數據(3bits/cell),性能、壽命變差,只能經受3千次編程/擦寫循環,但是容量可以做得更大,成本也可以更低,是當前最普及的;


    第四代QLC(Quad-Level Cell):每單元可存儲4比特數據(4bits/cell),性能、壽命進一步變差,只能經受1000次編程/擦寫循環,但是容量更容易提升,成本也繼續降低


    從閃存單位存儲位數發展過程來看,SLC雖然耐擦寫能力等指標都明顯優于其他兩種Cell,但由于其成本過高并沒有得到大規模應用。在2D-NAND時代,MLC在耐擦寫能力、出錯率等特性上取得了非常好的平衡,加上ECC、磨損均衡等一系列核心技術的支持,采用MLC的SSD能夠應對絕大多數企業級應用場景,而最終成為數據中心中SSD配備最廣泛的NAND。


    基于MLC技術原理,后來又發展出TLC、QLC,層數越多NAND容量越大,但是性能、可靠性、壽命越差,但是大容量誘惑、以及各種輔助技術加持下,MLC淘汰了SLC,TLC又淘汰了MLC,成為了主流。目前QLC比重也在逐步提高,后續或將逐漸代替TLC。


    TechInsights曾在FMS 2020閃存峰會上預測,QLC在2025年將占到NAND整體出貨容量的50%。


    NAND閃存制造商一直試圖通過增加每個單元存儲的位數來提高其存儲設備的存儲密度。雖然從根本上說,這是提高記錄密度的最具挑戰性的方法,但從成本的角度來看,它也是最有價值的方法。


    近日,在全球閃存峰會的主題演講結束之際,Solidigm公司(Solidigm是英特爾出售給SK海力士的NAND研發和制造部門)在現場展示了全球首款正在研發的PLC(Penta-Level Cell,五層單元)固態盤。


    PLC基于NAND密度構建,增加了單個單元存儲多達5位數據的能力(高于QLC的每個單元4位),增加了每個NAND閃存芯片中的可用空間量。與QLC SSD相比,PLC(五層單元) SSD能夠在每個存儲單元內存儲5比特數據,這意味著在相同的空間內,存儲的數據量能夠增加25%,同一空間內增加的存儲量可以用來解決固態存儲未來的成本、空間和能耗等問題。


    理論上看,基于PLC新技術似乎為SSD實現更便宜的GB比率鋪平了道路。然而,在實際開發中還存在挑戰。


    據了解,為了存儲多于一位,NAND單元必須保持多個不同的電壓電平,這具有挑戰性。因為NAND制造商必須為這些單元找到合適的材料,然后無錯誤地記錄和讀取它們。此外,電壓狀態的數量隨著位數的增加呈指數增長。例如,要存儲4位,單元必須保持16個電壓電平 (24),存儲5位,該數字會增長到32(25)。


    因此,PLC NAND技術最終需要32種不同的電壓狀態來區分電池可以容納的所有可能的1和0組合。這會給電池和控制器級帶來額外的壓力,這必須考慮到電壓狀態被錯誤寫入,損壞數據的可能性增加。因此,必須在控制器級別實現更強大的糾錯算法。


    目前尚不清楚基于PLC的硬盤何時會進入市場。對此,西部數據表示他們不會在2025年之前進入市場。


    此外,除了Solidigm推出的PLC,鎧俠更是在IEEE超大規模集成電路技術和電路研討會上展示了一個每單元存儲7比特的產品,但這目前還只能在實驗室和低溫下實現。 


    鎧俠實現每個單元存儲7位則需要保持128個電壓狀態 (27)。不過,目前這種NAND閃存單元還無法在商業上實現,在實驗室中構建定制晶體管只是超高密度NAND閃存挑戰的一半。首先,研究人員必須開發和使用具有適合處理128種電壓狀態的自定義編碼方案的自定義控制器。 


    另一方面挑戰在于,能夠準確處理128個電壓電平的控制器的難度和價格可能與微處理器相當。因此,使用昂貴且復雜的SSD控制器將3D NAND記錄密度僅增加40%(從5bpc到7bpc)是否有意義成為值得探討的問題。雖然最好的SSD往往成本很高,但過于先進的控制器可能會使超高容量驅動程序變得過于昂貴,這或許將消除其所有優勢。 


    可以看到,除了堆疊更多層數和制程演進之外,擴展閃存芯片的位密度也正在成為行業廠商提升存儲密度的競爭路線之一。


    寫在最后


    NAND閃存的概念可以追溯到上世紀80年代,而真正步入發展軌道則是從2000年開始。


    從WSTS公布的出貨量數據來看,NAND閃存的發展大致可以分為三個階段。2000年至2016年間,NAND閃存出貨量呈現線性增長趨勢;2016年至2018年,出貨量相對穩定;2018年之后,受益于數據中心市場增長,NAND閃存出貨量隨之增加。


    從NAND閃存市場的角度看,隨著2001年以后音樂播放器、數碼相機、手機等領域疾速增長,NAND閃存市場需求持續上揚,出貨量以線性趨勢持續增加


    在 NAND閃存擴展飽和后,隨著大數據、物聯網、數據中心等新興市場的發展,三星、英特爾、鎧俠、西部數據、長江存儲等一系列閃存廠商再次紛紛加速技術演進和市場布局,以爭奪NAND閃存市場的主導權。

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