據Kedglobal報道,全球最大的存儲芯片制造商三星電子公司將于本月晚些時候開始批量生產 290 層第九代垂直 (V9) NAND 芯片,以引領行業向高堆疊高密度閃存過渡的競爭對手。業內消息人士周四表示,隨著人工智能時代對高性能和大型存儲設備的需求增長,這家韓國芯片制造商還計劃明年推出 430 層 NAND 芯片。
NAND 閃存是一種非易失性存儲芯片,即使斷電也能存儲數據。它用于智能手機、USB 驅動器和服務器等設備。據市場研究公司 Omdia 預計,NAND 閃存市場在 2023 年下降 37.7% 后,預計今年將增長 38.1%。為了在快速增長的市場中占據一席之地,三星誓言要大力投資 NAND 業務。
自 2002 年以來,三星一直是 NAND 市場的領導者。
過去幾年,各大芯片制造商都在進行一場“膽小鬼游戲”,以期在開發先進芯片堆疊技術以降低成本和提高性能的競賽中擊敗競爭對手。隨著人工智能芯片專注于推理,基于 NAND 的存儲設備的競爭變得越來越激烈,這需要大容量的存儲設備來存儲和處理圖像和視頻。
更高密度的 NAND 芯片將加速數據密集型環境和工作負載,例如人工智能引擎和大數據分析。對于 5G 智能手機,增強的容量可以實現多個應用程序的更快啟動和切換,從而創造更靈敏的移動體驗和更快的多任務處理。
作為領頭羊的三星,當然不會安于現狀。
今年290層,明年430層
據報道,V9 NAND是繼三星當前旗艦236層V8閃存產品后的一款尖端產品,面向大型企業服務器以及人工智能和云設備。消息人士稱,V9 NAND 的重要之處在于三星利用了其雙棧(double-stack)技術。
由于技術限制,三層堆疊(triple-stack )或三層單元(triple-level cell )技術被廣泛認為是制造約 300 層芯片的最常用方法。據市場研究公司TechInsights Inc.稱,三星預計將于明年下半年推出430層第10代NAND芯片。消息人士稱,三星預計將采用三重堆棧技術來制造V10 NAND閃存。
三星電子一直致力于以最少的堆疊數量來堆疊最多的層數。SK海力士和美光科技公司應用了72層的雙堆棧技術,而三星電子則采用了高達128層的單堆棧技術
三星高管曾多次表示,該公司的目標是到 2030 年開發超過 1,000 層的 NAND 芯片,以實現更高的密度和存儲能力。
《首爾經濟日報》在去年八月曾報道稱,三星將擁有 300 層以上的 V-NAND(V 代表垂直或 3D NAND)芯片,準備于 2024 年投入生產,因此可能比 SK 海力士領先一年之多,具體時間取決于三星多久能交付。當時三星最前沿的堆疊式NAND是236層產品,比美光和長江存儲多了四層,但比SK海力士少了兩層。
報道進一步指出,與SK海力士將采用三層堆棧的方式不一樣,三星顯然會堅持兩層堆棧,這意味著三星的目標是每個堆棧超過150層NAND,就良率而言,這似乎是一個很大的風險。堆疊越高,堆疊失敗的可能性就越大,但也許三星已經找到了圍繞這一潛在問題的解決方案。
由于現代 3D NAND 依賴于硅通孔,因此與過去使用引線鍵合技術相比,更容易制造更密集的堆疊。但即便如此,這對于三星來說似乎也是一個很大的風險。如上所說,三星的路線圖要求到 2030 年推出 1000 層以上的 V-NAND 產品,但這條路似乎仍然漫長而復雜。
其他巨頭的堆疊技術混戰
如上所述,除了三星以外,其他NAND巨頭也都加入了堆疊層數競賽。
首先看SK海力士方面,據報道,這家全球第二大內存芯片制造商公司計劃明年初開始使用其三堆棧技術生產 321 層 NAND 產品。
去年8月,該公司在加利福尼亞州圣克拉拉舉行的閃存峰會上展示了321層四維(4D)NAND樣品。SK 海力士表示將于 2025 年上半年開始量產 1 太比特 (Tb) 三層單元 (TLC) 4D NAND 閃存。該公司表示,與 238 層、512 Gb 4D NAND 芯片相比,321 層 NAND 的生產率提高了 59%。
SK Hynix 使用 1 Tb 3D TLC 器件展示其 321 層 3D NAND 工藝技術的實力可能是一個好兆頭,該公司打算在此節點上構建高容量 3D 器件。與現有工藝節點相比,這種潛力意味著每比特成本降低。這為更高容量 SSD 和其他基于 3D NAND 閃存的存儲設備奠定了基礎。
SK 海力士 NAND 開發主管 Jungdal Choi 在去年的一場演講中表示:“憑借解決堆疊限制的另一項突破,SK 海力士將開啟 300 層以上 NAND 時代并引領市場。”“隨著高性能、大容量NAND的適時推出,我們將努力滿足AI時代的要求,持續引領創新 ”Chi繼續說。
關于未來的NAND規劃,SK海力士最近兩年很少詳談,但在2021年的一個分享中, SK 海力士表示,公司相信通過將層數增加到 600 層以上,可以繼續提高 3D NAND 芯片的容量。但是,通過增加層數,SK Hynix(以及其他 3D NAND 生產商)將不得不繼續使層更薄、NAND 單元更小,并引入新的介電材料來保持均勻的電荷,從而保持可靠性。該公司已經躋身原子層沉積領域的領導者之列,因此其下一個目標之一是實施高深寬比 (A/R) 接觸 (HARC) 蝕刻技術。此外,對于 600 多個層,它可能必須學習如何串堆疊多個晶圓。
再看美光,根據之前的報道,美光已經制定了發展到 500 多層的路線圖。
如圖所示,美光也是雙堆棧技術的支持者,具體而言,該技術是指將兩個 3D NAND 芯片逐層堆疊,即所謂的“串堆疊”。這克服了半導體制造困難,例如隨著層數增加而蝕刻穿過層的連接孔。隨著孔深度加深,此類孔的側面可能會變形,從而妨礙 NAND 單元正常運行。
美光表示,它的重點是 QLC(4bits/cell)NAND,但沒有提及通過PLC(五級單元)將單元位數增加到 5 個,西部數據正在研究 PLC,Soldigm 正在開發 PLC。我們認為這是因為美光公司持謹慎態度,而不是因為它認為 PLC NAND 不可行而拒絕它。
鎧俠則在早前的報道中披露了1000層的信息。據Xtech Nikkei報道,Kioxia 首席技術官 (CTO) Hidefumi Miyajima 表示,該公司計劃到 2031 年批量生產超過 1,000 層的 3D NAND 存儲器。
如今,Kioxia 最好的 3D NAND 器件是第八代 BiCS 3D NAND 存儲器, 具有 218 個有源層和 3.2 GT/s 接口(于 2023 年 3 月首次推出)。這一代引入了一種新穎的CBA(CMOS直接鍵合到陣列)架構,該架構涉及使用最合適的工藝技術單獨制造3D NAND單元陣列晶圓和I/O CMOS晶圓并將它們鍵合在一起。其結果是產品具有增強的位密度和改進的 NAND I/O 速度,這確保了內存可用于構建最好的 SSD。
與此同時,Kioxia 及其制造合作伙伴 Western Digital 尚未披露 CBA 架構的具體細節,例如 I/O CMOS 晶圓是否包括額外的 NAND 外圍電路(如頁緩沖器、讀出放大器和電荷泵)。通過分別生產存儲單元和外圍電路,制造商可以為每個組件利用最高效的工藝技術,隨著行業向串堆疊等方法發展,制造商將獲得更多優勢,串堆疊(string stacking)肯定會用于 1,000 層 3D NAND。
3D NAND 技術路線圖
對于NAND未來如何發展,如上所述,不同廠商又不同的方案。今年三月,業內知名機構techinsights從他們的角度,分享了3D NAND 技術路線圖。
Techinsights表示,三星將 V7 的單層結構改為雙層結構,并將 2D 陣列外圍設計改為單元外圍 (COP:cell-on-periphery) 集成。三星已經向市場發布了V8 236L 1 Tb TLC產品,這是他們的第二個COP結構。
去年,我評論說他們可能會多一個 300L 以下的節點,例如 n+1 的 280 或 290 層產品。因此,三星現在擁有 280L V9 COP V-NAND。此外,三星還在128L V6中添加了適用于990 EVO的133L V6 Prime版本,即所謂的V6P。133L是沒有COP結構的單甲板(single deck )。總門數為 133 個,有效字線數從 128 個增加到 133 個,速度增加到 1600 MT/s,512 Gb 芯片上有兩個平面,每個平面有兩個子平面。下一代V10將采用類似于KIOXIA 218L CBA和YMC Xtacking產品的混合鍵合技術。
KIOXIA和WDC保持BiCS結構,市場上的大部分產品仍然是第五代112L。去年,我們終于采購了162L BiCS第六版。BiCS6 162L 可能是一個有風險的產品,并且可能不會持續很長時間。鎧俠已經宣布他們將跳過 BiCS 第七代,相反,即將推出的 BiCS 第八代將有 218 層,而正在開發的下一款將有 284 層。218L和284L都將采用兩片晶圓的混合鍵合技術,如果3xx層開發進展順利,284L可能會再次跳過。
美光將 128L 的 FG CuA 集成更改為 CTF CuA 集成,此后,他們領先于其他競爭對手向市場推出了 176L 和 232L 產品。美光正在開發 Gen7,這是一個2XX層的產品, 比300L 低,和三星280L類似。美光可能會在沒有 300 層器件的情況下進軍 400 層器件。我們知道Solidigm 144L QLC NAND由三層組成,這意味著三重48L結構。下一代 192L QLC 器件已于去年發布并進行了分析。然后下一個將是230L的分層QLC;然而,由于SK海力士指導的NAND業務計劃不確定,他們的計劃可能會改變。
SK海力士延續了4D PUC結構。2024年SK海力士V7 176L繼續,238L V8 4D PUC量產產品很快將在市場上廣泛應用。它去年已經發布了 321 層 V9 4D PUC 樣品,下一個可能會有另外 3yy 層,例如 400 層以下的 370 或 380 層左右。
MXIC已向市場提供第一代3D NAND芯片,例如用于Nintendo Switch的48L 3D NAND芯片。我們現在正在采購零件。MXIC正在開發第二代96L。
兩三年后,我們或許就能看到超過500層的3D NAND產品,甚至五年后就能看到超過600層或700層的封裝解決方案,采用更先進和優化的混合鍵合技術。
參考鏈接
https://www.kedglobal.com/korean-chipmakers/newsView/ked202211080005
https://www.tomshardware.com/pc-components/ssds/kioxia-aims-to-mass-produce-1000-layer-3d-nand-by-2031-quadruple-the-current-number-of-layers
https://library.techinsights.com/reverse-engineering/blog-viewer/1844417?utm_source=Website&utm_medium=Platform&utm_content=Memory%203D%20NAND%20Roadmap&utm_campaign=Roadmaps#name=Memory%2520-%2520Embedded%2520%2526%2520Emerging%252C%2520Memory%2520-%2520%2520NAND%2520%2526%2520DRAM
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