SK海力士4D NAND Flash首發(fā)，Q4送樣

在美國舉辦的Flash Memory Summit(閃存技術(shù)峰會(huì))首日結(jié)束后，亮點(diǎn)頗多。

日前據(jù)《電子工程專輯》報(bào)道，在Keynote環(huán)節(jié)，長江存儲(chǔ)(Yangtze Memory Technology，YMTC)壓軸出場，推出了其最新的3D NAND架構(gòu)Xtacking，I/O接口的速度提升到了3Gbps，堪比DRAM DDR4 的I/O速度，吸引了外界的極大關(guān)注。

不過，倒數(shù)第二個(gè)出場的SK海力士(SK Hynix)帶來的黑科技4D NAND無疑更搶眼球，因?yàn)樗鼈円呀?jīng)可以在Q4送樣了。雖然之前三星、東芝/西部數(shù)據(jù)、美光/英特爾等已經(jīng)宣布過96層/QLC新一代技術(shù)，但發(fā)布產(chǎn)品SK海力士是第一家。

目前SK海力士在NAND市場的全球份額排名第五，DRAM份額全球第二。

選對技術(shù)，可以少走彎路

首先是3D NAND的技術(shù)路線選擇，SK海力士稱，CTF(Charge Trap Flash，電荷捕獲型)比Floating Gate(浮柵型)存儲(chǔ)單元面積更小、速度更快、更耐用(P/E次數(shù)多)。

其實(shí)三星從2013年的第一代V-NAND 3D閃存就開始使用CTF了，東芝/西數(shù)(閃迪)的BiCS亦是如此。目前英特爾和美光是唯一兩家采用浮柵技術(shù)的閃存制造商。這兩家也計(jì)劃在其新一代閃存進(jìn)入市場后獨(dú)立執(zhí)行閃存開發(fā)工作。之后美光會(huì)采用自己的取代柵極技術(shù)(Replacement Gate)，即簡單的Charge Trap Flash技術(shù)的品牌重塑。換句話說，英特爾很快就會(huì)成為唯一采用浮柵技術(shù)的閃存制造商，不過這倒無所謂，畢竟他們有更厲害的3D Xpoint(基于相變內(nèi)存，還一說是ReRAM磁阻式內(nèi)存)。

全球首款4D閃存登場

接下來，SK海力士宣布推出了全球首款4D閃存。

從現(xiàn)場給出的技術(shù)演示來看，4D閃存和此前長江存儲(chǔ)的Xtacking十分相似，只不過SK海力士稱其結(jié)合了自身CTF設(shè)計(jì)與Periphery Under Cell(PUC)技術(shù)。簡單來說，3D閃存由陣列和外圍電路兩個(gè)主要組件組成。與傳統(tǒng)3D NAND相同，SK海力士的陣列是垂直堆疊的層用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，而外圍電路排列在單元邊緣。由電路控制陣列，但隨著NAND層的增加，它就會(huì)消耗芯片空間，增加復(fù)雜性與尺寸大小，由此增加產(chǎn)品的最終成本。

為了解決這一問題，SK海力士的4D NAND采用了PUC設(shè)計(jì)，將外圍電路放置在陣列之下而不是圍繞，來提高存儲(chǔ)密度，同時(shí)降低成本。然而，這與英特爾和美光首次推出第一代3D閃存設(shè)計(jì)相同，那邊稱之為“CMOS under Array”(CuA)。并且，三星也已經(jīng)宣布其將來會(huì)轉(zhuǎn)向CuA型設(shè)計(jì)，因此這絕不能算是新技術(shù)了。

參數(shù)方面，號稱業(yè)內(nèi)第一款4D閃存是V5 512Gb TLC，采用96層堆疊、I/O接口速度1.2Gbps(ONFi 4.1標(biāo)準(zhǔn))、面積13平方毫米，今年第四季度出樣。

BGA封裝的可以做到1Tb(128GB)，模組最大2TB，塞到2.5寸的U.2中更是可以做到64TB，2019年上半年出樣。

此外，SK海力士還將基于V5 4D NAND技術(shù)推出QLC，也是采用96層堆疊，單Die容量1Tb，目的在于取代HDD，預(yù)計(jì)將在2019年下半年送樣。

與采用72層堆疊的V4 3D TLC相比，采用96層堆疊的4D NAND面積減小30%、讀速提升25%、寫速提升30%，此外帶寬和功率提升150%，產(chǎn)能提升20%。

SK海力士目前已經(jīng)開始進(jìn)行128層堆疊V6 4D閃存的研發(fā)，接下來將提高到2xx層,未來可達(dá)到500層堆疊。目前，SK海力士的3D NAND是72層堆疊，單die最大512Gb(64GB)，96層QLC NAND的單顆die容量提高到1Tb，4D NAND技術(shù)的持續(xù)發(fā)展推動(dòng)容量的不斷升級，未來10年內(nèi)可望出現(xiàn)10TB的BGA SSD。

SK海力士首款自有品牌企業(yè)級產(chǎn)品PE4010 NVMe SSD已于今年6月份出貨給微軟Azure服務(wù)器。2018年Q2這款產(chǎn)品也通過了騰訊的首次驗(yàn)證。

揭秘長江存儲(chǔ)的3D NAND新架構(gòu)

長江存儲(chǔ)稱，數(shù)據(jù)產(chǎn)生的能力和貯存能力的增長是嚴(yán)重不對等的，2020年左右將產(chǎn)生47ZB(澤字節(jié)，470萬億億比特)，2025會(huì)是162ZB。雖然多數(shù)數(shù)據(jù)可能是垃圾，但存儲(chǔ)公司沒有選擇性，其唯一目標(biāo)就是盡可能多地保存下來。

長江存儲(chǔ)將NAND閃存的三大挑戰(zhàn)劃歸為I/O接口速度、容量密度和上市時(shí)機(jī)，此次的Xtacking首要是提高I/O接口速度，且順帶保證了3D NAND多層堆疊可達(dá)到更高容量以及減少上市周期。

當(dāng)前，NAND閃存主要沿用兩種I/O接口標(biāo)準(zhǔn)，分別是Intel/索尼/SK海力士/群聯(lián)/西數(shù)/美光主推的ONFi，去年12月發(fā)布的最新ONFi 4.1規(guī)范中，I/O接口速度最大1200MT/s(1.2Gbps)。

第二種標(biāo)準(zhǔn)是三星/東芝主推的Toggle DDR，I/O速度最高1.4Gbps。不過，大多數(shù)NAND供應(yīng)商僅能供應(yīng)1.0 Gbps或更低的I/O速度。

此次Xtacking技術(shù)與SK海力士的4D NAND其實(shí)有相似之處，只不過Xtacking技術(shù)是將外圍電路置于存儲(chǔ)單元之上，從而實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)3D NAND更高的存儲(chǔ)密度。它是如何實(shí)現(xiàn)將I/O接口的速度提升到3Gbps，與DRAM DDR4 I/O速度相當(dāng)?shù)哪?

據(jù)長江存儲(chǔ)CEO楊士寧博士介紹，Xtacking，可在一片晶圓上獨(dú)立加工負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)I/O及記憶單元操作的外圍電路。存儲(chǔ)單元同樣也將在另一片晶圓上被獨(dú)立加工。當(dāng)兩片晶圓各自完工后，Xtacking技術(shù)只需一個(gè)處理步驟就可通過數(shù)百萬根金屬VIA(Vertical Interconnect Accesses，垂直互聯(lián)通道)將二者鍵合接通電路，而且只增加了有限的成本。

官方稱，傳統(tǒng)3D NAND架構(gòu)中，外圍電路約占芯片面積的20~30%，降低了芯片的存儲(chǔ)密度。隨著3D NAND技術(shù)堆疊到128層甚至更高，外圍電路可能會(huì)占到芯片整體面積的50%以上。Xtacking技術(shù)將外圍電路置于存儲(chǔ)單元之上，從而實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)3D NAND更高的存儲(chǔ)密度(長江存儲(chǔ)的64層密度僅比競品96層低10~20%)。

在NAND獲取到更高的I/O接口速度及更多的操作功能的同時(shí)，產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間可縮短三個(gè)月，生產(chǎn)周期可縮短20%，從而大幅縮短3D NAND產(chǎn)品的上市時(shí)間。

長江存儲(chǔ)稱，已成功將Xtacking技術(shù)應(yīng)用于其第二代3D NAND產(chǎn)品的開發(fā)。該產(chǎn)品預(yù)計(jì)于2019年進(jìn)入量產(chǎn)，現(xiàn)場給出的最高工藝節(jié)點(diǎn)是14nm。