美光憑借176層NAND保持3D NAND領(lǐng)先優(yōu)勢

2020年11月，內(nèi)存和存儲解決方案領(lǐng)先供應商Micron Technology Inc.（美光）宣布推出全球首款176層3D NAND閃存，一舉刷新行業(yè)紀錄，實現(xiàn)了閃存產(chǎn)品密度和性能的重大提升。得益于在性能、容量、尺寸和成本上的優(yōu)勢，美光176層3D NAND閃存能夠滿足數(shù)據(jù)中心、智能邊緣平臺和移動設(shè)備等一系列應用不斷提高的存儲需求。近日，21IC邀請到美光的技術(shù)專家向讀者詳細解讀了176層 3D NAND閃存背后的技術(shù)亮點。

1.近年來，美光越來越重視NAND閃存技術(shù)。請向我們介紹一下美光NAND閃存技術(shù)有哪些創(chuàng)新？

40多年來，從DRAM到閃存，包括NAND和NOR，美光一直是存儲技術(shù)領(lǐng)域的行業(yè)專家。2015年，美光和英特爾率先推出了創(chuàng)新的3D NAND閃存技術(shù)，與其他量產(chǎn)的NAND裸片相比，該技術(shù)實現(xiàn)了當時業(yè)界的最高容量。3D NAND的數(shù)據(jù)存儲單元是一層一層垂直堆疊的，這使得存儲器的設(shè)計方式發(fā)生了根本性的轉(zhuǎn)變。由于容量通過存儲單元的垂直堆疊來實現(xiàn)，單個存儲單元的尺寸因而能有很大提升。這一創(chuàng)新同時提高了NAND閃存的性能和續(xù)航，同時也降低了成本。此后，美光不斷推動3D NAND技術(shù)的演進，從最初的32層設(shè)計發(fā)展至業(yè)界領(lǐng)先的176層設(shè)計。與此同時，美光繼續(xù)使用創(chuàng)新的CMOS陣列下（CuA）技術(shù)，在提升容量和性能的同時，增加了設(shè)計的靈活性。

2.為什么美光會在3D NAND中采用CMOS陣列下（CuA）技術(shù)？

2015年，美光與英特爾合作，將CMOS陣列下技術(shù)引入NAND存儲市場。這一工藝即在邏輯陣列上構(gòu)建閃存層，那么在設(shè)計NAND閃存芯片時，NAND存儲器電路區(qū)域就不再需要為CMOS邏輯留出空間。生產(chǎn)中NAND裸片尺寸也因此減小，從而增加了單位面積中的總存儲容量。憑借CuA技術(shù)，3D NAND的生產(chǎn)設(shè)計在容量提升上獲得了更大的靈活性，產(chǎn)生了更多創(chuàng)新，也使具有成本優(yōu)勢成為可能。

3.最初的3D NAND產(chǎn)品是基于傳統(tǒng)浮動柵極NAND架構(gòu)。為什么美光最近要從浮動柵極設(shè)計轉(zhuǎn)向3D替換柵極（RG）技術(shù)？

替換柵極（RG）NAND是一種創(chuàng)新的存儲架構(gòu)，有助于滿足不斷增長的存儲需求。使用RG NAND使性能、電源效率和容量的限制均得以消除，這是存儲技術(shù)的重要變革。與傳統(tǒng)浮動柵極NAND相比，美光3D RG NAND能提供更長的耐久壽命、更高的電源效率、更大的存儲容量和更快的性能。

4.能否介紹一下美光176層3D NAND技術(shù)的重要性？

美光的176層NAND是3D NAND技術(shù)的又一個重要里程碑，因為采用這一技術(shù)的閃存密度接近第一代3D NAND閃存的10倍。美光新的176層技術(shù)和其先進的架構(gòu)代表了一項重大突破，使數(shù)據(jù)中心、智能邊緣平臺和移動設(shè)備等一系列存儲應用從中受益，實現(xiàn)了性能上的巨大提升。

美光的176層NAND采用了美光第五代3D NAND技術(shù)和第二代替換柵極架構(gòu)，是市場上最先進的 NAND技術(shù)節(jié)點。與美光的上一代大容量3D NAND相比，176層NAND將數(shù)據(jù)讀取和寫入延遲縮短了35%以上，極大地提高了應用的性能。此外，美光的176 層 NAND繼續(xù)使用創(chuàng)新的CMOS陣列下設(shè)計（CuA），這種架構(gòu)使其更具有成本優(yōu)勢。

5.與其他新技術(shù)相比，為什么美光能夠在如此短的時間內(nèi)將176層NAND從設(shè)計階段快速應用到生產(chǎn)階段？

美光長久以來在推動新設(shè)計快速投放市場方面有著優(yōu)良傳統(tǒng)。美光正在與業(yè)界開發(fā)者合作，將新產(chǎn)品快速集成到解決方案中。其中一種加速量產(chǎn)的途徑是簡化固件開發(fā)。美光 176 層 NAND 提供單流程編程算法，使集成更為簡便，從而加快上市速度。此外， 176 層 NAND的接口符合ONFI（開放式NAND閃存接口）協(xié)議，美光為新特性增加了向后兼容能力。得益于這種向后兼容性，可以更穩(wěn)健且快速地將新產(chǎn)品集成到解決方案。

6.3D NAND的堆疊層數(shù)從64提升到96，再到128，為什么最新一代的層數(shù)是176？

3D NAND的層數(shù)并沒有行業(yè)“標準”，層數(shù)的確定一般因閃存供應商而異。不過，行業(yè)的頂級閃存供應商大多從96層提升到128層，再到176層，大約增加了1/3，這與平面硅節(jié)點占節(jié)點面積的減少是一致的。

7.采用176層NAND和PCIe 4.0的固態(tài)硬盤（SSD）能帶來哪些升級的用戶體驗？

PCIe 4.0將SSD與主機之間每通道的最大IO帶寬提高了一倍。美光的176層NAND增加了讀寫帶寬，并提高了從裸片到SSD內(nèi)控制器的最大IO速度。這種組合為能夠充分利用帶寬的應用帶來了最佳性能。

8.哪些細分市場將受益于美光的176層NAND技術(shù)？

美光的176層NAND技術(shù)使產(chǎn)品的容量和續(xù)航同時得到顯著提升，尤其受益各種寫入密集型應用，例如航空航天領(lǐng)域的黑匣子及視頻監(jiān)控錄像等。在移動存儲中，176 層NAND的替換柵極架構(gòu)可將混合工作負載性能提高15%，從而更好地支持超快速邊緣計算、增強型人工智能推理，以及高品質(zhì)圖像顯示的實時多人游戲。我們期待176層NAND技術(shù)能夠廣泛應用于各式各樣的電子設(shè)備中（包括云存儲的基本構(gòu)建塊）。

9.展望未來，3D NAND技術(shù)垂直堆疊的層數(shù)是否會有極限？堆疊更高層數(shù)面臨著哪些挑戰(zhàn)？美光NAND閃存的未來計劃是什么？

與所有技術(shù)一樣，當前的3D NAND架構(gòu)對層數(shù)最終會有極限。隨著時間的推移，需要進一步的創(chuàng)新來實現(xiàn)更高的堆疊層數(shù)。此外，在實際生產(chǎn)中，制造成本和良率損失有朝一日也會阻礙層數(shù)的提升。然而，美光將在未來幾代產(chǎn)品中繼續(xù)保持3D NAND的擴展性，以及成本的降低。我們已經(jīng)在為176層的下一節(jié)點進行早期開發(fā)，并為后幾代產(chǎn)品進行技術(shù)探索。此外，我們還將致力于擴大QLC（四級單元）的領(lǐng)導地位，以加速固態(tài)硬盤取代普通硬盤（HDD）的進程。