業(yè)界首發(fā)，不二選擇：美光推出全球首款232層NAND

半導(dǎo)體行業(yè)十分有趣，同時也充滿挑戰(zhàn)。俗話說，“打江山難，守江山更難”，這句話形容半導(dǎo)體行業(yè)十分貼切。我們需要頂住重重壓力，不斷突破物理、化學(xué)、制造和創(chuàng)新的極限，以推動邏輯、內(nèi)存、存儲等計算器件的發(fā)展。如何開發(fā)出尺寸更小、速度更快、功耗更少、成本更低，同時容量更大的閃存技術(shù)是我們每天都要應(yīng)對的挑戰(zhàn)。美光憑借3D NAND新技術(shù)與率先推出的新產(chǎn)品再攀高峰，借此機會讓我們回顧美光取得的輝煌成就。

美光一直以來被公認為3D NAND技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)廠商，之前我們推出了業(yè)內(nèi)首款176層替換柵極NAND技術(shù)，再次證明了這一點。從那時起，我們就將先進 NAND 技術(shù)引入美光存儲產(chǎn)品組合中，憑借多種外形規(guī)格與接口技術(shù)，廣泛地應(yīng)用于移動設(shè)備、PC客戶端、汽車、智能邊緣和數(shù)據(jù)中心等不同市場，充分展示了美光卓越的運營能力。

在完善和擴大176層NAND技術(shù)應(yīng)用的同時，美光團隊也在努力開發(fā)下一代更先進的NAND技術(shù)。近日，美光技術(shù)與產(chǎn)品執(zhí)行副總裁Scott DeBoer與高管團隊宣布美光下一代232層NAND閃存將于2022年底前實現(xiàn)量產(chǎn)，我們?yōu)榇烁械阶院馈?/p>

這標志著業(yè)界首款232層3D NAND正式問世。目前該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在英睿達（Crucial）旗下幾款固態(tài)硬盤上。其他搭載這項技術(shù)的產(chǎn)品將于今年晚些時候上市，屆時將為消費者帶來更大容量、更高密度、更少能耗與更低單位存儲成本的存儲解決方案。

垂直堆疊，而非橫向擴展

我發(fā)現(xiàn)當我和一些不太熟悉NAND技術(shù)的受眾談及我們的產(chǎn)品時，“堆疊層數(shù)越多就越好”這個概念往往很好理解。因此我想借機向更多群體分享這一技術(shù)進步的細節(jié)與影響。

就3D NAND而言，堆疊層數(shù)越多越好。請想象要在一個寸土寸金的城市提高居住密度以應(yīng)對人口增長，向外擴建不僅可能性低，而且成本高。因此很多城市選擇向上擴建，即在同樣大小的土地上修建樓層更高、房間更多的大樓和公寓，以實現(xiàn)更高容積率。同理，停車場和建筑物的供水及暖通空調(diào)設(shè)施大部分都位于地下，以更好地提高空間效率。

美光新推出的232層 NAND 基于經(jīng)過驗證的CMOS 陣列下(CuA)架構(gòu)，該架構(gòu)為容量增長、密度增加、性能提升和成本降低提供了一個向上擴展的方法。通過增加NAND數(shù)據(jù)單元陣列堆疊層數(shù)， 能夠增加每平方毫米晶圓上的比特數(shù)，進而提高存儲密度，降低單位存儲成本。

全球首發(fā)的 232 層 NAND 技術(shù)標志著美光第六代NAND 即將進入大規(guī)模量產(chǎn)。突破性的超高堆疊層數(shù)和CuA技術(shù)使每顆芯片僅需極小的尺寸就可存儲高達1Tb的容量，這意味著232層NAND的比特密度比上一代176層 NAND 高出45% 以上，多么驚人的容量提升! 密度的增加也進一步改善了封裝規(guī)格，全新的11.5mm x 13.5mm封裝尺寸較前幾代小28%。這些突破意味著大容量、高性能的存儲產(chǎn)品將能搭載在更多類型的設(shè)備上。

更強性能，更高服務(wù)質(zhì)量（QoS）

除了密度增加，擁有業(yè)界最多堆疊層數(shù)，232層NAND也是目前速度最快的 NAND產(chǎn)品。開放式NAND閃存接口（ONFI）使傳輸速率大大提高，達到2400 MT/s，再次領(lǐng)先業(yè)界，比上一代技術(shù)提高50% 以上。此外雙向帶寬也有提高，相比176 層產(chǎn)品，232 層 NAND 的寫入帶寬提升可達100%，讀取帶寬提升超過75% 。

為了實現(xiàn)存儲與性能進步，我們需要將3D NAND劃分為更多的六個平面，以實現(xiàn)更高程度的并行，從而提高性能。目前市場上許多NAND只有兩個平面，就算是最先進的產(chǎn)品也僅采用四平面設(shè)計來傳輸指令與數(shù)據(jù)流，美光則是首家將六平面TLC（三層單元）NAND產(chǎn)品推向市場的廠商。

就單顆裸片而言，增加并行性能給NAND器件同時發(fā)送更多讀寫指令，從而提高順序訪問和隨機訪問的讀寫性能。因此，六平面架構(gòu)和全新 232 層 NAND 中相應(yīng)的獨立字線數(shù)量，也可以通過減少寫入和讀取指令沖突來提高服務(wù)質(zhì)量(QoS)。就像高速公路一樣，車道越多，擁堵就越少，特定區(qū)域的交通就越通暢。

勇攀高峰

在3D NAND閃存中增加更多堆疊層數(shù)看似輕而易舉，實則并非如此。NAND 的制造工藝非常復(fù)雜，往往需要數(shù)百道獨立工藝流程才能將原始晶圓加工成合適的裸片或芯片。

增加堆疊層數(shù)最大的困難也許是確保堆疊從上而下的統(tǒng)一性，這對于正確對齊所有的層和連接柱是必不可少的。我們試舉幾例遇到的挑戰(zhàn): 

·   垂直字線層之間的距離縮短增加了存儲單元間的電容耦合，這個問題需要解決。

·   隨著堆疊層數(shù)的增加，硅柱刻蝕功能的工藝難度急劇上升。

美光使用高度先進的蝕刻和圖案化工藝來創(chuàng)建高深寬比結(jié)構(gòu)，并通過高效的替換柵極工藝來提升性能。

團隊建設(shè)

應(yīng)對這些挑戰(zhàn)需要團隊間緊密協(xié)作，包括設(shè)計、技術(shù)開發(fā)、系統(tǒng)啟動、晶圓制造、測試和封裝以及許多其他職能部門的支持，因此優(yōu)化跨職能團隊協(xié)作是影響復(fù)雜解決方案成敗的關(guān)鍵。從設(shè)計與技術(shù)協(xié)同優(yōu)化的角度出發(fā)，理解工藝效果，并調(diào)整設(shè)計以使產(chǎn)品性能更加穩(wěn)健十分重要。例如3D NAND需要控制器進行先進的數(shù)據(jù)管理和糾錯，以增加編程周期。精準的平面規(guī)劃和建模同樣非常重要，因為要確保不會因工藝偏差而影響電氣參數(shù)與熱參數(shù)。

創(chuàng)新半導(dǎo)體原型設(shè)計已經(jīng)困難重重，大批量生產(chǎn)3D NAND則是更大的挑戰(zhàn)。3D NAND采用垂直結(jié)構(gòu)堆疊存儲單元，因此任一單元的缺陷都會影響單元串的性能。高深寬比刻蝕對精度要求極高，因此需要采用先進的污染控制方法以降低殘次率，同時提高電子遷移速度和導(dǎo)電性以解決傳輸速度下降的問題。

盡管美光擁有豐富的內(nèi)部專業(yè)知識來推動這一技術(shù)創(chuàng)新，我們還是與機臺廠商、材料生產(chǎn)商和其他供應(yīng)商密切合作，開發(fā)解決方案，以精確構(gòu)建極端幾何形狀的內(nèi)存單元。

即將交付的SSD

從設(shè)備端到智能邊緣再到云計算，美光 232層NAND代表了數(shù)字化發(fā)展過程中的分水嶺。從最早支持手機上的拍照技術(shù)，到支持平板電腦、輕薄筆記本電腦和可穿戴設(shè)備，固態(tài)存儲技術(shù)是科技發(fā)展背后的關(guān)鍵推手。如果沒有存儲應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)的技術(shù)，科技發(fā)展會受到極大阻礙。

“業(yè)界首發(fā)，不二選擇”這一宣言代表了美光對技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)力的不懈追求，深受團隊認同。隨著堆疊層數(shù)的不斷增加，美光提供了擁有更高存儲密度，更少能耗與更低單位存儲成本的產(chǎn)品和技術(shù)，有助于為數(shù)字化、系統(tǒng)優(yōu)化和自動化發(fā)展提供新機會。通過不斷突破設(shè)計、工藝與卓越制造的極限，美光始終保持技術(shù)領(lǐng)先地位。憑借 232層3D NAND，美光再一次提升了 NAND 技術(shù)的業(yè)界基準，期待該技術(shù)能掀起新一波產(chǎn)品創(chuàng)新的浪潮。