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      3D NAND還是卷到了300層

      作者:時間:2023-08-30來源:半導體產業縱橫收藏

      近日,三星電子宣布計劃在明年生產第 9 代 ,據爆料,這款將采用雙層堆棧架構,并超過 300 層。

      本文引用地址:http://www.connhp.com/article/202308/450089.htm

      同樣在 8 月,SK 海力士表示將進一步完善 321 層 NAND ,并計劃于 2025 年上半期開始量產。

      早在 5 月份,據歐洲電子新聞網報道,西部數據和鎧俠這兩家公司的工程師正在尋求實現 8 平面 設備以及超過 300 字線的 IC。

      終究還是卷到了 300 層……

      層數「爭霸賽」

      眾所周知,固態硬盤的數據傳輸速度雖然很快,但售價和容量還都是個問題。這種寬度為 2.5 英寸的硬盤用來容納存儲芯片的空間較為有限,容量越高的芯片可以增加硬盤的總體存儲空間,但更高的成本也拉高了硬盤的售價。

      對于這個問題,英特爾可能已經在 3D NAND 當中找到了解決辦法。3D NAND 閃存是英特爾和美光的合資企業所研發的一種技術,是一種新興的閃存類型,通過把內存顆粒堆疊在一起來解決 2D 或者平面 NAND 閃存帶來的限制。

      平面結構的 NAND 閃存已接近其實際擴展極限,給半導體存儲器行業帶來嚴峻挑戰。新的 3D NAND 技術,垂直堆疊了多層數據存儲單元,具備卓越的精度?;谠摷夹g,可打造出存儲容量比同類 NAND 技術高達三倍的存儲設備。該技術可支持在更小的空間內容納更高存儲容量,進而帶來很大的成本節約、能耗降低,以及大幅的性能提升以全面滿足眾多消費類移動設備和要求最嚴苛的企業部署的需求。

      2007 年,隨著 2DNAND 達到其規模極限,東芝率先提出了 3D NAND 結構概念。2013 年三星則率先推出了其所謂的「」,也就是 3D NAND。

      3D 設計引入了多晶硅和二氧化硅的交替層,并將浮柵交換為電荷陷阱閃存 (CTF),區別在于 FG 將存儲器存儲在導電層中,而 CTF 將電荷「捕獲」在電介質層中。這種 3D 設計方式不僅帶來了技術性能的提升,而且還進一步控制了成本。

      此后,三星不斷更新技術和擴增產業線,10 年間推出了數代產品,以維護自己在 NAND 閃存市場的地位。其中,2020 年,三星推出了 176 層的第七代「」,其采用了「雙堆?!辜夹g,不是一次性蝕刻所有層,而是將它們分成兩部分,然后一層一層堆疊。

      2022 年,美光技術與產品執行副總裁 Scott DeBoer 與高管團隊宣布美光下一代 232 層 NAND 閃存將于 2022 年底前實現量產。這表明美光團隊在完善和擴大 176 層 NAND 技術應用的同時,同步在努力開發下一代更先進的 NAND 技術。

      美光的 232 層 NAND 是業界的首款 232 層 3D NAND,這項前沿技術已經應用在英睿達(Crucial)旗下幾款固態硬盤上,其他搭載這項技術的產品將會陸續上市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。

      去年 5 月美光曝光的技術路線圖顯示,232 層之后美光還將發力 2YY、3XX 與 4XX 等更高層數。

      大數據、云計算等技術發展,持續提升 NAND Flash 需求,同時也不斷推動著 NAND 技術的升級和迭代,NAND Flash 原廠層數競爭或將更加激烈。


      300 層和 300 層的不同

      SK 海力士是業界首家正在開發 300 層以上 NAND 閃存的公司。8 月 9 日宣布了 321 層 4D NAND 樣品的發布。

      這是 SK 海力士第 8 代 3D NAND 閃存,容量為 1Tb(128GB),具有三級單元(TLC)和超過 20Gb/mm^2 的位密度(bit density)。該芯片的頁容量(page size)為 16KB,擁有四個 planes,接口傳輸速率為 2400MT / s,最高吞吐量為 194MB/s(相比第 7 代 238 層 3D NAND 閃存提高了 18%)。密度的提升將降低制造過程中每 tb 的成本,終端消費者最終能從性能和容量的提升中受益。

      據 SK 海力士介紹,第 8 代 3D NAND 閃存主要運用了五個方面的技術,包括引入三重驗編程(TPGM)功能,可縮小電池閾值電壓分布,將 tPROG 減少 10%,從而提高性能;自適應未選字符串預充電(AUSP),另一種將 tPROG 降低約 2% 的方法;編程虛擬串(PDS)技術,降低通道電容負載來縮短 tPROG 和 tR 的世界線建立時間;平面級讀取重試(PLRR)功能,允許在不終止其他平面的情況下改變平面的讀取級別,從而立即發出后續讀取命令,最終提高了服務質量(QoS)和讀取性能。

      它將采用三重堆疊技術,涉及生產三組獨立的 3D NAND 層,每組分別堆疊為 120 層、110 層和 91 層,然后組合成一個芯片。預計 2025 年開始量產。

      搶先 SK 海力士一步量產的是它的存儲老對手三星,韓國媒體《首爾經濟日報》援引業內人士消息稱,三星計劃于 2024 年量產超過 300 層的第 9 代 3D NAND。預計將采用雙堆疊技術生產,其中包括在兩個獨立過程中創建 NAND 存儲器,然后將它們組裝在一起。這和 SK 海力士的技術是不同的。

      三星在 2022 年底就已經開始批量生產采用第 8 代 V-NAND 技術的產品,為 1Tb(128GB)TLC 3D NAND 閃存芯片,達到了 236 層,相比于 2020 年首次引入雙堆棧架構的第 7 代 V-NAND 技術的 176 層有了大幅度的提高。其所采用的雙堆棧架構,即在 300mm 晶圓上先生產一個 3D NAND Flash 堆棧,然后在原有基礎上再構建另一個堆棧。

      目前尚不清楚三星 300+層閃存的具體細節,比如確切層數、容量密度、閃存類型等。按照三星規劃的路線圖,到了 2030 年,閃存堆疊將超過 1000 層。

      鎧俠和西部數據的創新成果將更高容量和更高性能的 3D NAND 存儲設備成為可能。根據 eeNewsEurope 的報道,兩家工程師團隊正在攻關 8 平面 3D NAND 設備和具備超過 300 字線的 3D NAND IC。鎧俠將發表一篇論文,其中便介紹了一種八平面 1Tb 3D TLC NAND 顆粒,這款顆粒具有超過 210 個有源層和 3.2GT/s 的接口。根據鎧俠提供的數據,這款顆粒能做到 205MB/s 的程序吞吐量以及僅 40 微秒的延遲。

      創新的八平面 1Tb 3D TLC NAND 顆粒通過減少 X 方向的數據查詢區域減少到 41%,以實現 3.2GT/s 的接口速度。然而,這種新設計可能導致布線擁塞,鎧俠通過引入混合行地址解碼器緩解了這一問題,最大限度地減少了因擁塞導致的讀取延遲下降。

      鎧俠還通過新型的單脈沖雙選通技術,讓單個脈沖內感測兩個存儲單元,這使得總感測時間減少 18%,提升程序吞吐量達到 205MB/s。

      通過兩種新技術,新型 NAND 顆粒實現了更高性能和更低延遲,這些技術將在未來得到更廣闊的應用。然而,八平面架構會增加 IC 和主控的復雜性,從而導致更高的開發和制造成本。如果主控芯片無法正確管理八平面顆粒,則 IC 的實際性能還可能下降。除了八平面 3D NAND IC 外,鎧俠和西數聯合開發了超過 300 層的 3D NAND 顆粒。

      為了實現這一目標,聯合團隊采用金屬誘導橫向結晶技術(MLIC),通過這項技術,開發團隊能夠在垂直存儲孔內創建單晶 14 微米長的「通心粉狀"硅通道。此外,團隊還利用尖端吸鎳方法消除硅中的雜質和缺陷,提高單元陣列性能。因此讀取噪聲至少減低了 40%,電導增加了 10 倍。


      勢在必得的存儲高地

      市場在變,需求在變,技術也在更迭。存儲市場波動持續影響著整個半導體行業。

      進入 2023 年,NAND 供應商采取行動重新平衡供需動態,他們不僅減少對市場的出貨量,且大部分供應商都宣布削減晶圓廠利用率或減少晶圓開工。市場研究機構 Yole 分析稱,所有供應商不僅削減了 2023 年資本支出,并推遲了路線圖進程。其中,僅 NAND 資本支出預計將同比下降約 40%。Yole 指出,隨著庫存水平的正?;貧w以及 OEM 等采購信心的恢復,將為今年晚些時候的 NAND 復蘇提供了希望。

      市場研究機構 Yole Intelligence 最新報告顯示,NAND Flash 市場將在今年第三季度迎來增長,結束近兩年的下滑趨勢。Yole Intelligence 表示,全球數據生成和存儲的需求持續增長,新技術的引入使得 NAND Flash 市場的長期前景依然看好。該報告還提到了推動 NAND 市場發展的幾個因素。

      首先是大型科技公司和傳統企業原始設備制造商 (OEM) 對企業級固態硬盤 (SSD) 的需求增加。這些企業對數據存儲的要求越來越高,因此采用更多的企業級 SSD 來滿足大規模數據處理和存儲的需求。其次,SSD 在 PC 和游戲機中的普及也是推動市場增長的因素之一。隨著人們對快速啟動和高效數據讀寫的需求增加,SSD 在個人電腦和游戲機中的應用越來越廣泛。智能手機和其他移動設備存儲容量的增加也是推動市場增長的因素之一。隨著用戶在手機中存儲大量照片、視頻和應用程序的需求增加,手機制造商需要提供更大容量的存儲解決方案,這將推動 NAND Flash 市場的增長。

      根據預測,NAND 市場將結束連續七個季度的下滑,并在今年第三季度實現增長。



      關鍵詞: V-NAND 閃存 3D NAND

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