集成電路時代，巨頭廠商紛紛將焦點瞄準更高維度的3D，進行“升維打擊”。NAND閃存亦如此，2D NAND平面工藝正伴隨摩爾定律放緩而逐漸轉(zhuǎn)向3D NAND的三維層面。

當2D變?yōu)?D，檢驗NAND閃存是否先進的條件，便順理成章地變?yōu)槎褩訑?shù)的提升。這類似機械硬盤增加碟數(shù)來提高容量密度的做法，通過增加層數(shù)NAND閃存的密度和容量獲得了提高、單位成本降低。

那么現(xiàn)在世界上最先進的工藝達到了多少層？日前，Micron（美光科技，下文簡稱“美光”）出貨了首款176層NAND閃存，一舉刷新了行業(yè)記錄，這也是美光科技第五代的3D NAND技術。21ic中國電子網(wǎng)特邀美光科技揭秘新突破背后的故事。

顛覆行業(yè)的性能升級

從消費者和設計者來看，NAND閃存的終極意義必然是實打?qū)嵉男阅苋嫔墸魏稳A麗辭藻都不如參數(shù)的全面增長來的實際。

實際上，對比美光前兩代產(chǎn)品和同類競品，176層NAND擁有無與倫比的性能飛躍?！?0%、35%、33%”，美光科技NAND組件產(chǎn)品線高級經(jīng)理Kevin Kilbuck將176層的優(yōu)勢總結(jié)為這幾個數(shù)字。

30%：“176層NAND的緊湊型設計的裸片尺寸比同類最好的競爭產(chǎn)品小30%左右，”Kevin Kilbuck介紹，汽車、工業(yè)、消費類和移動等領域的應用，需要使用microSD、球柵陣列SSD、eMMC、通用閃存以及多芯片封裝外形尺寸較小的封裝形式，而176層NAND是這類空間受限應用的理想選擇。

35%：“176層NAND與美光96層大容量浮動柵極NAND相比讀取和寫入延遲降低了35%以上，與美光128層替換柵極NAND相比降低了25%以上”，Kevin Kilbuck表示，層數(shù)的進展顯著提高了應用性能。記者認為，讀寫速度是NAND閃存對消費者感官影響最大的參數(shù)，也是反映NAND閃存性能的最大憑證，行業(yè)飛速發(fā)展引發(fā)的數(shù)據(jù)爆炸式增長只有快速調(diào)用和記錄才能發(fā)揮真正的作用。

33%：“176層NAND最大數(shù)據(jù)傳輸速率高達1600MT/s，美光前兩代的96層和128層NAND產(chǎn)品為1200MT/s，相比之下提高了33%”，Kevin Kilbuck強調(diào)，更快的ONFI 速度意味著系統(tǒng)啟動更迅速、應用程序性能更出眾。在汽車應用中，這種速度讓車載系統(tǒng)在發(fā)動機啟動后近乎即時響應，從而為用戶帶來更好的體驗。業(yè)界領先的數(shù)據(jù)傳輸速率可支持實現(xiàn)非常穩(wěn)定的高速吞吐量，并支持對數(shù)據(jù)的即時訪問，這有利于速度對業(yè)務至關重要的電子商務、金融服務和工業(yè)等應用。對于最終客戶，這保證了對數(shù)據(jù)進行深度分析時不會遇到瓶頸。

圍繞行業(yè)的創(chuàng)新設計

除了性能參數(shù)上的表現(xiàn)，根據(jù)KevinKilbuck的介紹，美光的176層NAND閃存技術潛藏諸多頗具行業(yè)實用性的創(chuàng)新設計，使產(chǎn)品能夠緊扣行業(yè)趨勢、提高產(chǎn)品耐用性、加快方案上市。

緊扣行業(yè)趨勢：美光176層NAND提高了服務質(zhì)量（QoS），這是數(shù)據(jù)中心SSD的關鍵設計標準。這有利于數(shù)據(jù)湖、人工智能（AI）引擎和大數(shù)據(jù)分析等數(shù)據(jù)密集型環(huán)境和工作負載。對于5G智能手機，更高的QoS可支持實現(xiàn)在多個應用之間更快的啟動和切換，創(chuàng)造更無縫、響應更快的移動體驗，實現(xiàn)真正的多任務處理，充分發(fā)揮5G網(wǎng)絡低延遲的優(yōu)勢。

提高產(chǎn)品耐用性：美光的先進技術提高了產(chǎn)品耐用性，這將使各種寫入密集型應用特別受益，如航空航天領域的黑匣子以及視頻監(jiān)視錄像等。在移動設備存儲中，176層NAND的替換柵極架構進一步提高了混合工作負載的性能，從而可支持超快速邊緣計算、增強型人工智能推理以及圖像顯示細膩的實時多人游戲等應用。

加快方案上市：為了簡化固件開發(fā)，美光的176層NAND提供了一種單流程（single-pass）編程算法，使集成更為便捷，從而加快方案上市時間。

從技術層面來說，美光科技的176層NAND是通過雙堆棧技術(Double Stacking)實現(xiàn)的，Kevin Kilbuck對此為記者介紹表示，176層NAND作為美光的第四代層堆疊技術的代表，充分展示了這種方法的可行性和可發(fā)展性。

“雙堆疊方法使我們能夠更快地擴展3D NAND產(chǎn)品系列在相同層數(shù)的情況下，雙堆疊可逐步改進處理能力，能夠比單堆疊更早地投放市場。相比具有相同層數(shù)的單堆疊方案，這一優(yōu)勢意味著美光能夠在產(chǎn)品中更快地部署更多的層數(shù)?！保琄evin Kilbuck如是說。

Kevin Kilbuck，美光科技NAND組件產(chǎn)品線高級經(jīng)理

困難重重背后的底氣是什么

“我們的176層NAND的突破及其架構上巨大進步的重要意義在于，它為我們繼續(xù)擴展3D NAND奠定了堅實的基礎”，美光科技工藝集成技術開發(fā)高級總監(jiān)Kunal Parekh驕傲地這樣為記者介紹。

但實際上，層數(shù)節(jié)點的突破并非易事，Kunal Parekh為記者透露，美光致力于越來越好的性能，因此每個工藝節(jié)上的突破都比上一個節(jié)點更難?！半m然每一代工藝都有新的約束和限制，但我們才華橫溢的工程師和研究人員克服了這些問題?！?span>

Kunal Parekh為記者舉了一個例子，從雙陣列堆疊中的兩個64層陣列發(fā)展到兩個88層陣列，必須克服這種擴展帶來的多項挑戰(zhàn)，才能進一步提高位密度，同時提升性能。增加層數(shù)會使結(jié)構更高，這樣在占用面積不變的情況下才能產(chǎn)生更多的比特，但與之同時帶來了必須要克服的工藝挑戰(zhàn)，我們團隊通過出色的工作克服了這些挑戰(zhàn)。

“增加層數(shù)還要求在陣列下放置更多的電路，這意味著我們還需要以有效的方式將所有這些電路穿過陣列，連接到相應的NAND存儲串。這就要求在我們選擇的陣列架構中必須掌握更高的深寬比蝕刻和替換柵極格式”，KunalParekh補充說道。

美光率先推出176層NAND依靠的是什么優(yōu)勢？美光究竟擁有哪種“底氣”取得行業(yè)最領先技術？

“我們的創(chuàng)新覆蓋從實驗室到晶圓廠整個過程，憑借獨特的CMOS陣列下架構實現(xiàn)了業(yè)界領先的3D NAND單元尺寸。我們還率先開發(fā)了陣列堆疊技術，并聚焦于實現(xiàn)向替換柵極架構的過渡。此外，在3D NAND制造方面的投資使得我們能夠在新加坡一地即可進行產(chǎn)品工程、技術開發(fā)、制造和質(zhì)量功能質(zhì)檢等工作。我們在那里NAND卓越中心正在加速推進 3D NAND技術的創(chuàng)新，并將繼續(xù)擴大規(guī)模。這些還只是我們實現(xiàn)這一業(yè)界領先突破的部分關鍵優(yōu)勢”，Kunal Parekh如此解答記者。

據(jù)悉，美光自16年前便進入NAND市場，并一直是NAND技術領域的創(chuàng)新者，涉及從硅片到系統(tǒng)的各個領域包括設計電路、光掩膜技術、工藝技術和封裝技術等。美光的研發(fā)團隊一直在努力研究怎樣幫助客戶駕馭呈指數(shù)級增長的海量數(shù)據(jù)，美光的科學家和工程師正在挑戰(zhàn)物理規(guī)則極限，創(chuàng)造出以令人興奮的新方式來存儲和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的設備。

此外，美光還擁有世界上最先進的智能工廠。此前，世界經(jīng)濟論壇將美光新加坡和中國臺灣工廠加入其Global Lighthouse Network（全球燈塔工廠網(wǎng)絡）麾下，該網(wǎng)絡包括很多第四次工業(yè)革命中發(fā)揮領導技術作用的領先制造商。

Kunal Parekh，美光科技工藝集成技術開發(fā)高級總監(jiān)

展望NAND市場的未來

毋庸置疑，3D NAND產(chǎn)品的面世為行業(yè)降低了成本，創(chuàng)造了巨大的價值。美光的176層NAND同樣具有很大的里程碑意義。

回望過去，176層這一數(shù)值已是3D NAND早期層數(shù)的近10倍，10倍的密度意味著智能手機和固態(tài)硬盤能夠處理更多的工作、存儲更多的內(nèi)容、讓更多的人買得起、更好地改善人們的日常生活。

Kevin Kilbuck強調(diào)，這將使更多的應用能夠采用NAND閃存，并取代HDD等其他傳統(tǒng)存儲介質(zhì)。

據(jù)Kevin Kilbuck透露，目前美光正在將176層引入其TLC產(chǎn)品中，同時美光將保持對未來QLC產(chǎn)品投資的評估。

最后，Kunal Parekh告訴記者美光的下一步計劃。“美光NAND團隊一直在推動創(chuàng)新，在NAND內(nèi)存中實現(xiàn)更多的層數(shù)，從而進一步擴大數(shù)據(jù)密度。此外，我們的工程團隊致力于通過改進CMOS、內(nèi)存器件以及CMOS和內(nèi)存架構來不斷提高產(chǎn)品和系統(tǒng)級性能。我們還在NAND組件和封裝集成、內(nèi)存管理、固件和軟件等方面不斷尋求創(chuàng)新機會?！?span>