美光凭借176层NAND保持3D NAND领先优势
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2020年11月,内存和存储解决方案领先供应商Micron Technology Inc.(美光)宣布推出全球首款176层3D NAND闪存,一举刷新行业纪录,实现了闪存产品密度和性能的重大提升。得益于在性能、容量、尺寸和成本上的优势,美光176层3D NAND闪存能够满足数据中心、智能边缘平台和移动设备等一系列应用不断提高的存储需求。近日,21IC邀请到美光的技术专家向读者详细解读了176层 3D NAND闪存背后的技术亮点。
1.近年来,美光越来越重视NAND闪存技术。请向我们介绍一下美光NAND闪存技术有哪些创新?
40多年来,从DRAM到闪存,包括NAND和NOR,美光一直是存储技术领域的行业专家。2015年,美光和英特尔率先推出了创新的3D NAND闪存技术,与其他量产的NAND裸片相比,该技术实现了当时业界的最高容量。3D NAND的数据存储单元是一层一层垂直堆叠的,这使得存储器的设计方式发生了根本性的转变。由于容量通过存储单元的垂直堆叠来实现,单个存储单元的尺寸因而能有很大提升。这一创新同时提高了NAND闪存的性能和续航,同时也降低了成本。此后,美光不断推动3D NAND技术的演进,从最初的32层设计发展至业界领先的176层设计。与此同时,美光继续使用创新的CMOS阵列下(CuA)技术,在提升容量和性能的同时,增加了设计的灵活性。
2.为什么美光会在3D NAND中采用CMOS阵列下(CuA)技术?
2015年,美光与英特尔合作,将CMOS阵列下技术引入NAND存储市场。这一工艺即在逻辑阵列上构建闪存层,那么在设计NAND闪存芯片时,NAND存储器电路区域就不再需要为CMOS逻辑留出空间。生产中NAND裸片尺寸也因此减小,从而增加了单位面积中的总存储容量。凭借CuA技术,3D NAND的生产设计在容量提升上获得了更大的灵活性,产生了更多创新,也使具有成本优势成为可能。
3.最初的3D NAND产品是基于传统浮动栅极NAND架构。为什么美光最近要从浮动栅极设计转向3D替换栅极(RG)技术?
替换栅极(RG)NAND是一种创新的存储架构,有助于满足不断增长的存储需求。使用RG NAND使性能、电源效率和容量的限制均得以消除,这是存储技术的重要变革。与传统浮动栅极NAND相比,美光3D RG NAND能提供更长的耐久寿命、更高的电源效率、更大的存储容量和更快的性能。
4.能否介绍一下美光176层3D NAND技术的重要性?
美光的176层NAND是3D NAND技术的又一个重要里程碑,因为采用这一技术的闪存密度接近第一代3D NAND闪存的10倍。美光新的176层技术和其先进的架构代表了一项重大突破,使数据中心、智能边缘平台和移动设备等一系列存储应用从中受益,实现了性能上的巨大提升。
美光的176层NAND采用了美光第五代3D NAND技术和第二代替换栅极架构,是市场上最先进的 NAND技术节点。与美光的上一代大容量3D NAND相比,176层NAND将数据读取和写入延迟缩短了35%以上,极大地提高了应用的性能。此外,美光的176 层 NAND继续使用创新的CMOS阵列下设计(CuA),这种架构使其更具有成本优势。
5.与其他新技术相比,为什么美光能够在如此短的时间内将176层NAND从设计阶段快速应用到生产阶段?
美光长久以来在推动新设计快速投放市场方面有着优良传统。美光正在与业界开发者合作,将新产品快速集成到解决方案中。其中一种加速量产的途径是简化固件开发。美光 176 层 NAND 提供单流程编程算法,使集成更为简便,从而加快上市速度。此外, 176 层 NAND的接口符合ONFI(开放式NAND闪存接口)协议,美光为新特性增加了向后兼容能力。得益于这种向后兼容性,可以更稳健且快速地将新产品集成到解决方案。
6.3D NAND的堆叠层数从64提升到96,再到128,为什么最新一代的层数是176?
3D NAND的层数并没有行业“标准”,层数的确定一般因闪存供应商而异。不过,行业的顶级闪存供应商大多从96层提升到128层,再到176层,大约增加了1/3,这与平面硅节点占节点面积的减少是一致的。
7.采用176层NAND和PCIe 4.0的固态硬盘(SSD)能带来哪些升级的用户体验?
PCIe 4.0将SSD与主机之间每通道的最大IO带宽提高了一倍。美光的176层NAND增加了读写带宽,并提高了从裸片到SSD内控制器的最大IO速度。这种组合为能够充分利用带宽的应用带来了最佳性能。
8.哪些细分市场将受益于美光的176层NAND技术?
美光的176层NAND技术使产品的容量和续航同时得到显著提升,尤其受益各种写入密集型应用,例如航空航天领域的黑匣子及视频监控录像等。在移动存储中,176 层NAND的替换栅极架构可将混合工作负载性能提高15%,从而更好地支持超快速边缘计算、增强型人工智能推理,以及高品质图像显示的实时多人游戏。我们期待176层NAND技术能够广泛应用于各式各样的电子设备中(包括云存储的基本构建块)。
9.展望未来,3D NAND技术垂直堆叠的层数是否会有极限?堆叠更高层数面临着哪些挑战?美光NAND闪存的未来计划是什么?
与所有技术一样,当前的3D NAND架构对层数最终会有极限。随着时间的推移,需要进一步的创新来实现更高的堆叠层数。此外,在实际生产中,制造成本和良率损失有朝一日也会阻碍层数的提升。然而,美光将在未来几代产品中继续保持3D NAND的扩展性,以及成本的降低。我们已经在为176层的下一节点进行早期开发,并为后几代产品进行技术探索。此外,我们还将致力于扩大QLC(四级单元)的领导地位,以加速固态硬盘取代普通硬盘(HDD)的进程。