集成電路時(shí)代，巨頭廠商紛紛將焦點(diǎn)瞄準(zhǔn)更高維度的3D，進(jìn)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(dāng)2D變?yōu)?D，檢驗(yàn)NAND閃存是否先進(jìn)的條件，便順理成章地變?yōu)槎褩訑?shù)的提升。這類似機(jī)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(jìn)的工藝達(dá)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(shù)。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(jí)

從消費(fèi)者和設(shè)計(jì)者來看，NAND閃存的終極意義必然是實(shí)打?qū)嵉男阅苋嫔?jí)，任何華麗辭藻都不如參數(shù)的全面增長來的實(shí)際。

實(shí)際上，對(duì)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。“30%、35%、33%”，美光科技NAND組件產(chǎn)品線高級(jí)經(jīng)理Kevin Kilbuck將176層的優(yōu)勢總結(jié)為這幾個(gè)數(shù)字。

30%：“176層NAND的緊湊型設(shè)計(jì)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(fèi)類和移動(dòng)等領(lǐng)域的應(yīng)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(yīng)用的理想選擇。

35%：“176層NAND與美光96層大容量浮動(dòng)?xùn)艠ONAND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(jìn)展顯著提高了應(yīng)用性能。記者認(rèn)為，讀寫速度是NAND閃存對(duì)消費(fèi)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(dá)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(qiáng)調(diào)，更快的ONFI 速度意味著系統(tǒng)啟動(dòng)更迅速、應(yīng)用程序性能更出眾。在汽車應(yīng)用中，這種速度讓車載系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后近乎即時(shí)響應(yīng)，從而為用戶帶來更好的體驗(yàn)。業(yè)界領(lǐng)先的數(shù)據(jù)傳輸速率可支持實(shí)現(xiàn)非常穩(wěn)定的高速吞吐量，并支持對(duì)數(shù)據(jù)的即時(shí)訪問，這有利于速度對(duì)業(yè)務(wù)至關(guān)重要的電子商務(wù)、金融服務(wù)和工業(yè)等應(yīng)用。對(duì)于最終客戶，這保證了對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析時(shí)不會(huì)遇到瓶頸。

圍繞行業(yè)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

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(shù)潛藏諸多頗具行業(yè)實(shí)用性的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，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(wù)質(zhì)量（QoS），這是數(shù)據(jù)中心SSD的關(guān)鍵設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。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(fù)載。對(duì)于5G智能手機(jī)，更高的QoS可支持實(shí)現(xiàn)在多個(gè)應(yīng)用之間更快的啟動(dòng)和切換，創(chuàng)造更無縫、響應(yīng)更快的移動(dòng)體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)真正的多任務(wù)處理，充分發(fā)揮5G網(wǎng)絡(luò)低延遲的優(yōu)勢。

提高產(chǎn)品耐用性：美光的先進(jìn)技術(shù)提高了產(chǎn)品耐用性，這將使各種寫入密集型應(yīng)用特別受益，如航空航天領(lǐng)域的黑匣子以及視頻監(jiān)視錄像等。在移動(dòng)設(shè)備存儲(chǔ)中，176層NAND的替換柵極架構(gòu)進(jìn)一步提高了混合工作負(fù)載的性能，從而可支持超快速邊緣計(jì)算、增強(qiáng)型人工智能推理以及圖像顯示細(xì)膩的實(shí)時(shí)多人游戲等應(yīng)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(shí)間。

從技術(shù)層面來說，美光科技的176層NAND是通過雙堆棧技術(shù)(Double Stacking)實(shí)現(xiàn)的，Kevin Kilbuck對(duì)此為記者介紹表示，176層NAND作為美光的第四代層堆疊技術(shù)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?cái)U(kuò)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(jìn)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)。”，Kevin Kilbuck如是說。

Kevin Kilbuck，美光科技NAND組件產(chǎn)品線高級(jí)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(gòu)上巨大進(jìn)步的重要意義在于，它為我們繼續(xù)擴(kuò)展3D NAND奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)”，美光科技工藝集成技術(shù)開發(fā)高級(jí)總監(jiān)Kunal Parekh驕傲地這樣為記者介紹。

但實(shí)際上，層數(shù)節(jié)點(diǎn)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(gè)工藝節(jié)上的突破都比上一個(gè)節(jié)點(diǎn)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(gè)例子，從雙陣列堆疊中的兩個(gè)64層陣列發(fā)展到兩個(gè)88層陣列，必須克服這種擴(kuò)展帶來的多項(xiàng)挑戰(zhàn)，才能進(jìn)一步提高位密度，同時(shí)提升性能。增加層數(shù)會(huì)使結(jié)構(gòu)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(shí)帶來了必須要克服的工藝挑戰(zhàn)，我們團(tuán)隊(duì)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(yīng)的NAND存儲(chǔ)串。這就要求在我們選擇的陣列架構(gòu)中必須掌握更高的深寬比蝕刻和替換柵極格式”，KunalParekh補(bǔ)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(lǐng)先技術(shù)？

“我們的創(chuàng)新覆蓋從實(shí)驗(yàn)室到晶圓廠整個(gè)過程，憑借獨(dú)特的CMOS陣列下架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了業(yè)界領(lǐng)先的3D NAND單元尺寸。我們還率先開發(fā)了陣列堆疊技術(shù)，并聚焦于實(shí)現(xiàn)向替換柵極架構(gòu)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(jìn)行產(chǎn)品工程、技術(shù)開發(fā)、制造和質(zhì)量功能質(zhì)檢等工作。我們?cè)谀抢颪AND卓越中心正在加速推進(jìn) 3D NAND技術(shù)的創(chuàng)新，并將繼續(xù)擴(kuò)大規(guī)模。這些還只是我們實(shí)現(xiàn)這一業(yè)界領(lǐng)先突破的部分關(guān)鍵優(yōu)勢”，Kunal Parekh如此解答記者。

據(jù)悉，美光自16年前便進(jìn)入NAND市場，并一直是NAND技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新者，涉及從硅片到系統(tǒng)的各個(gè)領(lǐng)域包括設(shè)計(jì)電路、光掩膜技術(shù)、工藝技術(shù)和封裝技術(shù)等。美光的研發(fā)團(tuán)隊(duì)一直在努力研究怎樣幫助客戶駕馭呈指數(shù)級(jí)增長的海量數(shù)據(jù)，美光的科學(xué)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(chǔ)和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的設(shè)備。

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

Kunal Parekh，美光科技工藝集成技術(shù)開發(fā)高級(jí)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(jià)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(jī)和固態(tài)硬盤能夠處理更多的工作、存儲(chǔ)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(qiáng)調(diào)，這將使更多的應(yīng)用能夠采用NAND閃存，并取代HDD等其他傳統(tǒng)存儲(chǔ)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(shí)美光將保持對(duì)未來QLC產(chǎn)品投資的評(píng)估。

最后，Kunal Parekh告訴記者美光的下一步計(jì)劃。“美光NAND團(tuán)隊(duì)一直在推動(dòng)創(chuàng)新，在NAND內(nèi)存中實(shí)現(xiàn)更多的層數(shù)，從而進(jìn)一步擴(kuò)大數(shù)據(jù)密度。此外，我們的工程團(tuán)隊(duì)致力于通過改進(jìn)CMOS、內(nèi)存器件以及CMOS和內(nèi)存架構(gòu)來不斷提高產(chǎn)品和系統(tǒng)級(jí)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(jī)會(huì)。”