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SK海力士重磅消息:NAND Flash达到300层,“两王”之争谁是上风?
2023-03-22 来源:全球半导体观察
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关键词: SK海力士 存储器 芯片

在日前的第 70 届 IEEE 国际固态电路会议 (ISSCC) 期间,韩国存储芯片大厂 SK 海力士(SK Hynix)展示了最新300 层堆叠第 8 代 3D NAND Flash的原型,令与会者大吃一惊。


SK海力士在会议在发表会的标题订为 “高密度存储和高速接口”,其中描述了该公司将如何提高固态硬盘的性能,同时降低单个 TB 的成本。



性能提升,成本降低

据介绍,SK海力士第 8 代 3D NAND 堆叠超过 300 层,容量为 1Tb(128GB),具有 20Gb/mm² 单位容量、16KB 单页容量(page size)、拥有四个 planes,接口传输速率为2400 MT/s。最大数据传输速率将达到 194 MB/s,相较上一代 238 层堆叠和 164 MB/s 传输速率的第七代 3D NAND Flash高出 18%。而在更快的输入和输出速度下,有助于 PCIe 5.0 x4 或更高的接口利用率。

新 NAND 的位密度增加近一倍,意味着将显著提高新制造节点的每晶圆生产率,也将降低 SK 海力士的成本,只是尚不清楚具体程度。

据 SK 海力士研发团队的说法,第 8 代 3D NAND Flash 采用了 5 项崭新的技术。

首先,其拥有三重验证程序(TPGM) 功能可缩小单元阈值电压分布,并将 tPROG (编程时间) 减少 10%,从而转化为更高的性能。

其次,采用 Adaptive Unselected String Pre-Charge (AUSP) 技术,再将 tPROG 降低约 2% 。

第三,APR方案可将读取时间降低约 2%,并缩短字线上升时间。

第四,编程虚拟串 (PDS) 技术可藉由降低通道电容负载来缩短 tPROG 和 tR 的界线稳定时间。

最后,平面级读取重试 (PLRR) 功能,允许在不终止其他平面的情况下,更改平面的读取级别。之后,立即发出后续读取命令,并提高服务质量 (QoS),从而提高读取性能。

由于 SK 海力士针对新产品还在开发中,因此该公司尚未透露生产最新一代 3D NAND Flash 的量产时间。尽管如此,分析师预计该300层3D NAND Flash将于 2024 年年底或者 2025 年年初上市发售。



存储最大两个分类

存储器是集成电路市场的“大宗商品”,体量巨大,据WSTS统计,2021 年全球存储器市场规模为1538.38亿美元,同比增长30.9%,在全球集成电路市场占比达到33%。从存储器的市场发展趋势来看,尽管呈现出周期波动的特征,但总体增长趋势明显。

总体来看,应用范围最广的存储器主要包括四大类:DRAM,NAND Flash,NOR Flash和EEPROM。按照市场规模划分,可归纳为“两大两小”,其中,“两大”是DRAM和NAND Flash,“两小”是NOR Flash和EEPROM。

据IC Insights统计,2021年全球存储芯片市场中,DRAM占比达56%,NAND Flash占比约为41%,NOR Flash占比约为2%,EEPROM占比与NOR Flash属于同一量级,明显低于DRAM和NAND Flash。

DRAM结构简单、存储容量大,广泛应用于计算机内存,是市场规模最大的存储芯片。SDRAM是同步DRAM,能够与CPU系统时钟同步,是DRAM的主流。目前,DDR4 SDRAM占据了主流市场,相比DDR3,DDR4能将性能和带宽提升50%,同时降低功耗。DDR5也在市场拓展过程当中,其最高内存传输速率可达6.4Gbps,比DDR4性能更强、功耗更低,具有很好的发展潜力。此外,LPDDR以低功耗为特色,在智能手机等移动终端上广泛应用。

NAND Flash适用于大容量数据的存储(通常为1Gb-1Tb),且能够实现快速读写和擦除。NAND Flash在大容量下具有成本优势,是大容量非易失存储的主流技术方案,广泛应用于通信设备、消费电子、汽车电子等领域。

与DRAM类似,智能手机和PC是NAND Flash的主要应用市场,数据中心和汽车电子需求在不断提升。

全球NAND Flash市场由三星电子、铠侠、西部数据、美光、SK海力士主导,其中,三星市占率最高,达到34%。

工艺方面,传统NAND Flash是2D结构的,近些年,3D结构兴起,且大量蚕食2D NAND市场,3D NAND通过多层垂直堆叠技术,既能够提高单位面积存储密度,又能改善存储单元性能,且成本可控。三星电子于2013年率先开发出24层3D NAND,2020年,176层3D NAND问世,2022年,美光宣布232层3D NAND实现量产,成为全球首款突破 200层的NAND Flash芯片。


DRAM工艺将重构存储格局

数十年来,摩尔定律一直是业界崇尚的黄金法则,也一直是半导体性能和成本的驱动因素。早前的DRAM可以满足业界需求,但随着摩尔定律推进速度放缓,DRAM工艺也步入了技术瓶颈期。

从技术进度上看,目前DRAM芯片工艺已经突破到了10nm级别。2022年11月中旬,美光已实现1β DRAM(第五代10nm级别DRAM)量产,据悉,该公司正在对下一代1γ(gamma)工艺进行初步的研发设计。而三星的技术路线图预计,2023年进入1b nm(第五代10nm级别DRAM)工艺阶段。针对DRAM芯片,随着晶体管尺寸越来越小,芯片上集中的晶体管就越多,这意味着一片芯片能实现更高的内存容量。



虽然10nm还不是DRAM的最后极限,但多年来DRAM的扩展速度明显放缓,新的DRAM节点也只是缩小一小部分,3D DRAM顺势成为了存储厂商迫切想突破DRAM工艺更高极限的新路径。

DRAM工艺突破放缓的原因主要在于存储单元的简洁结构——由一个用于存储电荷的电容器和一个用于访问电容器的晶体管组成。业界的思路也就是颠覆这种结构,并辅以特殊的材料,从而走向创新。

便于增强我们理解这种创新方式的,便是能与DRAM相媲美的存储器技术NAND Flash,后者早已抵达3D世界,并且如今还跨至4D空间。

当前对于克服DRAM物理局限性有着一定的紧迫性。此前,业界一直在尝试减小电路线宽,来提高DRAM芯片的密度。通常来说,线宽越小,晶体管越多,集成度越高,功耗越低,速度越快。

此方法的确是达到了效果,但随着线宽进入10nm范围,电容器漏电和干扰等物理限制的问题却明显增加。为了补救这种情况,业界还引入了high-k材料和极紫外(EUV)设备等新材料和新设备。但显然,在制造10nm或更先进的小型芯片中,现有的这些技术让芯片制造商显得心有余而力不足。

在大环境需求和供给的冲突逼迫下,让DRAM平面2D升至3D逐渐成为了业界追求技术突破的共识。

所谓3D DRAM,其实是一种将存储单元(Cell)堆叠至逻辑单元上方的新型存储方式,从而可以在单位晶圆面积上实现更高的容量。

针对3D DRAM的构想,BeSang公司曾经向外公布了3D Super-DRAM技术方案。据官网介绍,平面DRAM是内存单元数组与内存逻辑电路分占两侧,3D DRAM则是将内存单元数组堆栈在内存逻辑电路的上方,因此裸晶尺寸会变得比较小,每片晶圆的裸晶产出量也会更多。

而平面DRAM的工艺微缩会越来越困难,其中的关键要素是储存电容的高深宽比。通常来说,储存电容的高深宽比会随着组件工艺微缩而呈现倍数增加。所以从原理上看,3D DRAM可以有效解决平面DRAM当前的困境。

而令业界关心的成本问题,3D DRAM使用的3D堆栈技术将实现可重复使用储存电容,可有效降低单位成本。未来,DRAM从传统2D发展至3D立体,将是大势所趋,这对于存储器市场来说,也将迎来一种拥有全新结构的存储芯片。


车载存储将成为重要市场

随着自动驾驶等级的提升,以及车载信息娱乐系统(IVI)、多摄像头视觉处理、长寿命电池和超高速5G网络的引入,车内车外数据流量大大提升,超大计算处理成为必需品,相应地大容量数据缓存(DRAM、SRAM)、存储(NAND)和其他存储(NOR Flash、EEPROM等)需求大幅增长。



据统计,2020年全球车载存储市场规模约46亿美元,在整体存储市场占比不足5%,但成长速度较高,2016-2020年复合增速为11.4%,预计随着汽车智能化水平的提升,车载存储市场提速增长,主要体现在DRAM(尤其是新能源车用的 LPDDR)、NAND等需求高速增长,2021年车载存储市场将达到56.6亿美元,2025年增长至119.4亿美元,2021-2025年复合增速为21.0%。从结构看,车载存储市场以DRAM和NAND为主,占比分别为57%和23%,其他小类的存储芯片如NOR Flash、SRAM和EPROM/EEPROM也在车内有广泛应用。不难预测,伴随汽车智能化驱动数据存储需求增加,车载存储市场有望提速增长。

此外,随着自动驾驶等级提升,用于收集车辆运行和周边环境数据的各类传感器将会越来越多,包括摄像头、毫米波雷达、激光雷达等,OTA(空中下载技术)、V2X(vehicle-to-everything)等网络通信功能也将产生大量数据。英特尔估计自动驾驶汽车每天将产生4000GB的数据量。即使低等级自动驾驶的车辆也需要大量车载数据存储。因为座舱IVI系统正逐步搭配更多大尺寸、高分辨率屏幕。根据中国闪存市场预测,L4、L5的汽车将配备40GB 以上的DRAM和3TB以上的NAND Flash,该配置远高于当前的智能手机。目前来看,单车DRAM和NAND Flash容量有着巨大的提升空间。

从国内市场状况来看,国内存储芯片需求庞大,市场规模超全球的1/3,但自给率不足5%。根据IDC数据,中国半导体市场规模占全球份额从2005年的12.2%增至2020年的36.6%,跃居全球第一。2020年中国市场中,存储芯片(包括DRAM和NAND)市场规模为429亿美元,占中国半导体市场规模的30%,占全球存储芯片市场规模的35%。

纵观日本、韩国存储芯片产业的崛起历程,产业大背景、新兴产业需求和政策扶持是存储产业发展的必要条件。当前,全球半导体产业向中国转移,中国大陆也已经建立了完善全面的电子系统产业链体系。除去PC、手机等传统消费电子场景,物联网、AI、智能车、云计算等众多新兴市场也在兴起。因此,庞大内需及新兴应用已为国产存储芯片厂商提供了发展基础,而政策扶持下的供应链国产化可为其提供助力。



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