过于关注 3D NAND 闪存层数可能是一种误导

NAND非易失性闪存存储器作为存储行业的突破性革新已有多年发展历史，随着2DNAND容量达到极限，以及晶体管越来越小，NAND的编程时间变长，擦写次数变少，能够将内存颗粒堆叠起来的3DNAND应运而生，可以支持在更小的空间内容纳更高的存储容量，在需要存储海量数据的时代有着重大价值。依托于先进工艺的3DNAND，氧化层越来越薄，面临可靠性和稳定性的难题，未来的3DNAND将如何发展？如何正确判断一款3DNAND的总体效率？在2020年的闪存峰会上，TechInsights高级技术研究员JoengdongChoe发表了相关演讲，详细介绍了3DNAND和其他新兴存储器的未来。TechInsights是一家对包括闪存在内的半导体产品分析公司。3DNAND路线图：三星最早入局，长江存储跨级追赶Choe介绍了2014-2023年的世界领先存储公司的闪存路线图，包括三星、铠侠（原东芝存储）、英特尔、美光、SK海力士和长江存储等公司的3DNAND技术发展路线。Choe给出的路线图显示，三星电子最早在3DNAND开拓疆土，2013年8月初就宣布量产世界首款3DNAND，并于2015年推出32层的3DNAND，需要注意的是，三星将该技术称之为V-NAND而不是3DNAND。之后，三星陆续推出48层、64层、92层的V-NAND，今年又推出了128层的产品。SK海力士稍晚于三星，于2014年推出3DNAND产品，并在2015年推出了36层的3DNAND，后续按照48层、72层/76层、96层的顺序发展，同样在今年推出128层的3DNAND闪存。美光和英特尔这一领域是合作的关系，两者在2006年合资成立了Intel-MicronFlashTechnologies（IMFT）公司，并联合开发NANDFlash和3DXpoint。不过，两者在合作十多年之后渐行渐远，IMFT于2019年1月15日被美光以15亿美元收购，之后英特尔也建立起了自己的NANDFlash和3DXpoint存储器研发团队。另外，在路线图中，长江存储于2018年末推出了32层的3DNAND，2020年推出了64层的3DNAND。从路线图中可以发现，从90多层跨越到100多层时，时间周期会更长。相较于其他公司，国内公司3DNAND起步较晚，直到2017年底，才有长江存储推出国产首个真正意义上的32层3DNAND闪存。不过长江存储发展速度较快，基于自己的Xtacking架构直接从64层跨越到128层，今年4月宣布推出128层堆栈的3DNAND闪存，从闪存层数上看，已经进入第一梯队。近期，长江存储CEO杨士宁也在2020北京微电子国际研讨会暨ICWorld学术会议上公开表示，长江存储用3年的时间走过国际厂商6年的路，目前的技术处于全球一流水准，下一步是解决产能的问题。值得一提的是，在中国闪存市场日前公布的Q3季度全球闪存最新报告中，三星、铠侠、西部数据、SK海力士、美光、英特尔六大闪存原厂占据了全球98.4%的市场份额，在剩下的1.6%的市场中，长江存储Q3季度的收入预计超过1%，位列全球第七。层数并未唯一的判断标准尽管在各大厂商的闪存技术比拼中，闪存层数的数量是最直接的评判标准之一。不过，Choe指出，大众倾向于将注意力集中在闪存层数上可能是一种误导，因为字线（带有存储单元的活动层）的实际数量会有很大的不同，例如可以将其他层作为伪字线，以帮助缓解由较高层数引起的问题。Choe表示，判断3DNAND工作效率的一种标准是用分层字线的总数除以总层数，依据这一标准，三星的拥有最优秀的设计，不过三星也没有使用多个层或堆栈，不像其他厂商当前的闪存那样使用“串堆栈”。一种提高3DNAND总体效率的方法是将CMOS或控制电路（通常称为旁路电路）放置在闪存层下面。这一方法有许多名称，例如CuA（CMOS-under-Array）、PUC(Periphery-Under-Cell),或者COP(Cell-On-Periphery)。长江存储的设计有些特别，因为它有一些电路在闪存的顶部，而CMOS在连接到闪存之前，是在更大的工艺节点中制造的。Choe认为这种技术有潜力，但目前存在产量问题。另外，各个公司使用工艺也不尽相同，比较典型的就是电荷撷取闪存技术（Chargetrapflash，简称CTF）和传统浮栅存储器技术（Floatinggate，简称FG）。CTF使用氮化硅来存储电子，而不是传统FG中典型的掺杂多晶硅。具体而言，FG将电子存储在栅极中，瑕疵会导致栅极和沟道之间形成短路，消耗栅极中的电荷，即每写入一次数据，栅极电荷就会被消耗一次，当栅极电荷被消耗完时，该闪存就无法再存储数据。而CTF的电荷是存储在绝缘层之上，绝缘体环绕沟道，控制栅极环绕绝缘体层，理论而言写入数据时，电荷未被消耗，可靠性更强。Choe指出在当前的存储芯片公司中，英特尔和美光一直使用的是传统的浮栅级技术，而其他制造商则依靠电荷撷取闪存设计。美光直到最近发布176层才更换新的技术，英特尔的QLC在使用浮栅技术的情况下，可以保持更好的磨损性能，但这也会影响其闪存的耐用性、可靠性、可扩展性以及其他性能优势。下一个十年将指向500层Choe在演讲中提到，铠侠未来将用到的分离栅结构或分离单元结构技术也很有趣，它可以使存储器的密度直接增加一倍，并且由于分离单元结构的半圆形形状而拥有特别坚固的浮栅结构，具有更强的耐用性。Choe预计，随着平台或堆栈数量的增加（目前最多为两个），闪存层数将继续增加，每个闪存芯片的存储量也会相应增加。Choe认为，这与其他技术，例如，硅通孔（TSV），叠层封装（PoP/PoPoP）以及向5LC/PLC的迁移一样，都在下一个十年指向500层以上和3TB裸片。另外，Choe详细说明了闪存的成本是按照每GB多少美分来计算的，这意味着未来3D闪存的架构将越来越便宜，不过2D闪存的价格依然昂贵，甚至比3D闪存贵很多倍。谈到尖端闪存技术的推进，Choe认为尖端闪存总是首先进入移动和嵌入式产品，例如5G手机是当下的主要驱动力。他还指出，2D平面闪存仍然有一些应用市场，通常将其视为低延迟SLC用作3DXPiont的存储类内存（SCM）的替代品，如Optane或美光最近发布的X100，尽管X100在消费市场并不常见。目前，100层以上的3D闪存产品，目前已经发布了SK海力士128LGoldP31和三星128L980PRO，美光最近也基于176Lflash发布了PhisonE18的硬盘原型。另外，西部数据和铠侠的BiCS5和英特尔的144层产品将在明年发布。更好的控制器需要更高密度的闪存，未来几年闪存将向更快和更大容量的方向发展。