3D NAND 閃存高密度發(fā)展，未來將走向何方？

3D NAND Flash Memory(3D NAND Flash，3D NAND 閃存)的高密度發(fā)展正如火如荼地進(jìn)行著。通過增加存儲單元(Memory Cell)在垂直方向上的堆疊(3D堆疊)數(shù)量(Word Line的堆疊數(shù))，3D NAND閃存的高密度化、大容量化已經(jīng)基本得以實(shí)現(xiàn)。通過融合3D堆疊技術(shù)、多值存儲技術(shù)(在1個存儲單元上存儲多個bit的技術(shù))，獲得了具有較大存儲容量的Silicon Die(硅芯片)。

存儲容量達(dá)到1Tbit以上、較大的3D NAND Flash Memory的開發(fā)事例。筆者根據(jù)各家公布的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總的。(圖片出自：pc.watch)

在產(chǎn)品等級中最先進(jìn)的3D NAND閃存最大可以把1Tbit或者1.33Tbit的龐大數(shù)據(jù)存儲到1顆Silicon Die(硅芯片)上。

比方說，通過融合Samsung Electronics的把Word Line(字線)的堆疊數(shù)做到了64層(Intel和Micron Technology通過合作也做到了64層)的技術(shù)、1個存儲單元上存儲了4bit數(shù)據(jù)的QLC(Quadruple-Level Cell)技術(shù)，獲得了1Tbit的存儲容量。

此外，東芝Memory&Western Digital合作，融合字線的堆疊數(shù)做到了96層的技術(shù)和QLC技術(shù)，開發(fā)了達(dá)到1.33Tbit這一巨大容量的硅芯片。此處的1.33Tbit，在當(dāng)今存儲半導(dǎo)體業(yè)界屬于全球最高值!

當(dāng)前也正在開發(fā)Word Line(字線)堆疊數(shù)為128的3D NAND 閃存。SK Hynix在2019年6月公布，要通過利用128層的制造技術(shù)、每個存儲單元上有3bit數(shù)據(jù)的TLC(Triple-Level Cell)技術(shù)，開發(fā)單個硅芯片的存儲容量為1Tbit的3D NAND閃存。這是TLC技術(shù)方面最大的存儲容量!

存儲容量在過去20年擴(kuò)到了1,000倍

回望過去，以往的“平面型NAND(Planer NAND，2D NAND)”閃存主要通過微縮技術(shù)使存儲容量擴(kuò)大到128Gbit，多值存儲方式采用的是MLC(2bit/cell)技術(shù)和TLC技術(shù)。

3D NAND 閃存技術(shù)的實(shí)用化以128Gbit為開端，256Gbit以上的存儲容量被3D NAND“獨(dú)霸”!多值存儲方式采用的是TLC技術(shù)，后來QLC技術(shù)也被采用。

▼大容量化的進(jìn)展

首發(fā)的1Tbit超級芯片(#13.1 東芝存儲、Western Digital)

NAND閃存的大容量化進(jìn)展(國際學(xué)會ISSCC上公布的硅芯片)。(圖片出自：國際學(xué)會SSCC執(zhí)行委員會于2018年11月向媒體公布的資料。)

NAND閃存的存儲密度(按照硅的面積來計算的存儲容量)在2001年以后，以每年1.41倍的速度增大，相當(dāng)于3年擴(kuò)大了4倍的存儲容量!令人震驚的是2019年依舊在延續(xù)這一增長速度!

▼閃存集成密度的趨勢

NAND閃存存儲密度的推移(國際學(xué)會ISSCC上公布的硅芯片)。(圖片出自：國際學(xué)會SSCC執(zhí)行委員會于2018年11月向媒體公布的資料。)

但是，時至今日，擔(dān)憂3D NAND閃存未來的呼聲出現(xiàn)在了存儲半導(dǎo)體的研發(fā)團(tuán)體(Community)里。擔(dān)憂的內(nèi)容大致分為2類。

其一，至此，牽引存儲半導(dǎo)體大容量化的字線層數(shù)，在不久的將來其發(fā)展會出現(xiàn)“鈍化”，或者說其發(fā)展會達(dá)到極限。其二，QLC方式下的多值存儲技術(shù)是否會達(dá)到極限?存儲單元的Bit數(shù)是否會出現(xiàn)無法再增加的情況?

Samsung公開談到300多層的3D NAND閃存

2019年8月6日，大型NAND廠家相繼公布了消除以上擔(dān)憂的Road Map(產(chǎn)品路線圖)和技術(shù)要素。

今年8月6日，最大的NAND廠商Samsung Electronics公布開始量產(chǎn)SSD，此款SSD搭載了通過單堆棧(Single Stack)形成了136層Memory Through Hole(存儲過孔)的256Gbit 3D NAND閃存。所謂136層的Memory Through Hole(存儲過孔)，在層數(shù)方面是歷史最高值。除去Source Line、Dummy Word Line，存儲單元(Memory Cell Storing)的字線層數(shù)為110-120。

此次發(fā)布中，應(yīng)該關(guān)注的是他們提到的通過堆疊3個136層的單堆棧(Single Stack)，最終可以堆疊300多層的的存儲單元(Memory Cell)。最大廠商Samsung表示了如此強(qiáng)勢的觀點(diǎn)，著實(shí)罕見。

雖然還未明確300層的開發(fā)時間，不過應(yīng)該已經(jīng)著手研發(fā)了。

之前東芝Memory 提到過通過Memory Through Hole(存儲過孔)技術(shù)可能提高字線堆疊數(shù)。在2017年5月的國際學(xué)會IMW上，東芝提到可以實(shí)現(xiàn)200層的2Tbit/Die。2017年5月時間點(diǎn)，3D NAND閃存技術(shù)的字線堆疊數(shù)最大達(dá)到64層!我們迎來了在此基礎(chǔ)上增加3倍的Road Map(產(chǎn)品路線圖)!

第二年(2018年)的8月，在閃存半導(dǎo)體的行業(yè)大會FMS(Flash Memory Summit)上，SK Hynix表示，200層不過是一個過渡期，最終實(shí)現(xiàn)500層也是可能的!雖然沒有公布單個Silicon Die的存儲容量，從以往的趨勢來看，應(yīng)該是可以做到4Tbit/Die的堆疊數(shù)。

而且，今年(2019年)的8月6日，SK Hynix在FMS(Flash Memory Summit)上做了主題演講(Key Note)，演講中很強(qiáng)勢地提到了其Road Map(產(chǎn)品路線圖)：2020年176層、2025年500層以上、2030年800層以上。所謂的800層，理論上，是實(shí)現(xiàn)了8Tbit/Die的堆疊數(shù)。也就是說，用1個芯片(Single Die)就可以獲得1TB!

SK Hynix在FMS(Flash Memory Summit)上做的主題演講(Key Note)中展示的其Road Map(產(chǎn)品路線圖)。(圖片出自：筆者攝影，下同)

多值存儲終于實(shí)現(xiàn)了5bit/cell

8月6日，又發(fā)生了令人震驚的事情!東芝存儲半導(dǎo)體在FMS的主題演講中表示，提高3D NAND閃存的存儲密度的2個技術(shù)要素。

其一，就是多值存儲技術(shù)。東芝表示，正在開發(fā)在一個存儲單元(Memory Cell)上存儲5bit數(shù)據(jù)的“PLC技術(shù)”。據(jù)說，主題演講的聽眾當(dāng)時頗受震驚!

以往的多值存儲方式多采用的是一個存儲單元(Memory Cell)上存儲4bit的數(shù)據(jù)的QLC(Quadruple-Level Cell)技術(shù)。在QLC技術(shù)中，1個存儲單元中寫入了15個等級的閾值電壓。相鄰的閾值電壓的差很小，很難調(diào)整。因此，在多值存儲方式下，QLC技術(shù)達(dá)到了極限。

然而，東芝存儲半導(dǎo)體卻打破了這一認(rèn)知，并展示了1個存儲單元中寫入31個等級的閾值電壓時的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。與東芝共同開發(fā)的合作伙伴Western Digital也展示了包含5bit/cell的多值存儲的幻燈片。另外，把QLC改為PLC(注：筆者認(rèn)為，P應(yīng)該是“penta”的縮寫)，存儲密度可以提高25%以上。

存儲密度提高2倍的終極手段

另一種技術(shù)是，通過將存儲單元(Memory Cell)的字線(Word Line)分割一半，使每個Memory Through Hole(存儲過孔)的存儲單元(Memory Cell)數(shù)量增加2倍。很明顯生產(chǎn)將會變得十分困難，從理論上看，具有存儲密度會增加2倍的優(yōu)點(diǎn)。

東芝在主題演講中，展示了將字線分割一半的Charge Trap(CT)型的單元(Cell)和Floating Gate(FG)型的單元(Cell)的試做斷面的觀察圖像。

3D NAND閃存的大型廠商的開發(fā)熱情似乎一點(diǎn)兒也沒有降低，超多層、多值存儲、存儲單元的分割等，毫無疑問任何一項(xiàng)都是非同一般的高難度技術(shù)，即便如此，也要硬著頭干下去，或許就是這個行業(yè)特征!