突破極限，還是根本沒(méi)有物理限制？

編譯來(lái)源：semiengineering

內(nèi)存供應(yīng)商正在競(jìng)相為 3D NAND 添加更多層，數(shù)據(jù)爆炸以及對(duì)更大容量固態(tài)驅(qū)動(dòng)器和更快訪問(wèn)時(shí)間的需求推動(dòng)了3D NAND市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)。

美光已經(jīng)在完成 232 層 NAND 的訂單，而且不甘示弱，SK 海力士宣布將于明年上半年開(kāi)始量產(chǎn) 238 層 512Gb 三層單元 (TLC) 4D NAND。或許更重要的是，芯片制造商私下表示，他們將利用行業(yè)學(xué)習(xí)為目前正在開(kāi)發(fā)的 3D-IC 堆疊 NAND。

西門子 EDA技術(shù)產(chǎn)品經(jīng)理 Ben Whitehead 表示：“處理器的摩爾定律在過(guò)去幾年中可以說(shuō)一直滯后，但對(duì)于 NAND 閃存來(lái)說(shuō)，摩爾定律仍然存在并且很好?。”?“這是一件好事，因?yàn)楝F(xiàn)代計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)對(duì)快速存儲(chǔ)有著無(wú)法滿足的需求。”

SK 海力士于 2018 年推出了 96 層 NAND 的 4D 命名法。盡管有這個(gè)名字，但該公司并未在四維空間中創(chuàng)建其產(chǎn)品或模仿 tesseract 立方體。但這個(gè)詞也不完全是營(yíng)銷噱頭，它是 3D 架構(gòu)變體的商品名。

“對(duì)于 DRAM，大約需要 10 或 15 年的研發(fā)才能取得成果，但對(duì)于 3D NAND，發(fā)展速度非常快。當(dāng)你想到通常的開(kāi)發(fā)速度時(shí)，你會(huì)感到驚訝，”新思科技研發(fā)總監(jiān)林西偉說(shuō)。“除了技術(shù)本身，它還是一款殺手級(jí)應(yīng)用。蘋果是第一個(gè)放入閃存來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的。今天，我們買 iPhone 還是看內(nèi)存有多少，而且都是閃存。從那里開(kāi)始，大數(shù)據(jù)、人工智能和分析需要高性能計(jì)算。閃存正在填補(bǔ)硬盤驅(qū)動(dòng)器和 RAM 內(nèi)存之間的這一關(guān)鍵延遲差距。由于功耗、外形尺寸和密度成本，你可以看到應(yīng)用程序，尤其是在數(shù)據(jù)中心、分析和游戲領(lǐng)域。”

演變與革命

回顧 2D NAND，它具有平面架構(gòu)，浮柵 (FG) 和外圍電路彼此相鄰。2007 年，隨著 2D NAND 達(dá)到其規(guī)模極限，東芝提出了 3D NAND 結(jié)構(gòu)。

三星在 2013 年率先推出了其所謂的“V-NAND”。

3D 設(shè)計(jì)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)。這些區(qū)別既有技術(shù)上的，也有經(jīng)濟(jì)上的。FG 將存儲(chǔ)器存儲(chǔ)在導(dǎo)電層中，而 CTF 將電荷“捕獲”在電介質(zhì)層中。由于制造成本降低，CTF 設(shè)計(jì)很快成為首選，但肯定不是唯一的。

IBM 研究員 Roman Pletka 指出：“盡管所有制造商都轉(zhuǎn)向電荷陷阱單元架構(gòu)，但我預(yù)計(jì)傳統(tǒng)的浮柵單元在未來(lái)仍將發(fā)揮不可忽視的作用，尤其是對(duì)于容量或保留敏感的用例。”

海力士表示，盡管有摩天大樓式堆疊的創(chuàng)新，但第一代 3D NAND 設(shè)計(jì)將外圍電路保留在一邊。

最終，3D NAND 供應(yīng)商將外圍電路移至 CTF 之下。在 SK 海力士的術(shù)語(yǔ)中，它現(xiàn)在是 Periphery Under Cell (PUC) 層。一方面，說(shuō)“4D NAND”比 CTF/PUC NAND 更短更酷。另一方面，最終這是 3D NAND 的另一種變體，每單位的單元面積更小。用于更小尺寸的類似設(shè)計(jì)有不同的商品名稱，例如美光的 CMOS under Array (CuA)。

圖 1：SK 海力士對(duì) 4D NAND 的解釋。 來(lái)源：SK 海力士全球新聞編輯室。

圖 2：外圍電路是 4D NAND 的底層。

來(lái)源：SK 海力士全球新聞編輯室。

美光本身在 2022 年 7 月下旬宣布了 232 層 NAND，該產(chǎn)品正在生產(chǎn)中，從而獲得了宣傳的權(quán)利。根據(jù)該公司的新聞稿，美光表示，其 232 層 NAND 是存儲(chǔ)創(chuàng)新的分水嶺，首次證明了在生產(chǎn)中將 3D NAND 擴(kuò)展到 200 層以上的能力。

“添加這些層的主要作用是增加容量，因?yàn)槊總€(gè)人都在尋找更多的 SSD 容量，”Cadence產(chǎn)品營(yíng)銷集團(tuán)總監(jiān) Marc Greenberg 說(shuō)。“因此，添加更多層基本上意味著可以在單一封裝中存儲(chǔ)更多千兆字節(jié)，并在單一類型的多層 3D NAND 組件上進(jìn)行存儲(chǔ)。添加所有這些層及其背后的技術(shù)是一種容量游戲。”

美光還聲稱擁有業(yè)界最快的 NAND I/O 速度 2.4 Gbps，與上一代相比，寫入帶寬提高了 100%，每個(gè)芯片的讀取帶寬提高了 75% 以上。此外，232 層 NAND 包含六平面 TLC 生產(chǎn) NAND，美光表示這是所有 TLC 閃存中每個(gè)芯片最多的平面，并且能夠在每個(gè)平面上獨(dú)立讀取能力。

據(jù)行業(yè)分析師稱，這可能是該公告中最令人印象深刻的部分。由于有六個(gè)平面，這個(gè)芯片可以表現(xiàn)得好像它是六個(gè)不同的芯片。

圖 3：美光的 232 層 NAND。來(lái)源：美光

中國(guó)的公司在232 層 3D NAND 模塊好像也有進(jìn)展。

制造：優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)

在去年的 IEEE IEDM 論壇上，三星的 Kinam Kim 發(fā)表了一個(gè)主題演講，他預(yù)測(cè)到 2030 年將有 1000 層閃存。這聽(tīng)起來(lái)可能令人頭暈?zāi)垦＃@并不是完全的科幻小說(shuō)。“與 NAND 閃存的歷史趨勢(shì)線相比，這已經(jīng)放緩了，”imec 存儲(chǔ)存儲(chǔ)器項(xiàng)目總監(jiān) Maarten Rosmeulen 說(shuō)。“如果你看看其他公司，比如美光或西部數(shù)據(jù)，他們?cè)诠_(kāi)聲明中提出的內(nèi)容，他們甚至比這還要慢。不同的制造商之間也存在一些差異——似乎他們正在延長(zhǎng)路線圖，讓它放慢速度。我們相信這是因?yàn)楸３挚臻g運(yùn)轉(zhuǎn)需要非常高的投資。”

盡管如此，競(jìng)爭(zhēng)風(fēng)險(xiǎn)仍然足夠高，以至于這些投資是不可避免的。“主要的前進(jìn)方向，主要的乘數(shù)，是向堆棧添加更多的層，”Rosmeulen 說(shuō)。“進(jìn)行 XY 縮小和縮小內(nèi)存孔的空間非常小。這很難做到。也許他們會(huì)在這里或那里擠壓幾個(gè)百分點(diǎn)，把孔放在一起，孔之間的縫隙更少，諸如此類。但這并不是最大的收獲。如果你能繼續(xù)堆疊更多的層，密度只能以目前的速度顯著提高。”

圖 4：NAND 制造中的 3D 步驟。來(lái)源：客觀分析

進(jìn)一步堆疊似乎是合理的，除了整個(gè)過(guò)程的核心不可避免的問(wèn)題。

“主要挑戰(zhàn)在于蝕刻，因?yàn)楸仨毼g刻具有非常高縱橫比的非常深的孔，”Rosmeulen 說(shuō)。“如果你看看上一代有 128 層，這是一個(gè)大約 6、7 或 8 微米深的孔，只有大約 120 納米的直徑，極高的縱橫比。蝕刻技術(shù)有進(jìn)步，可以一次性蝕刻更深的孔，但不會(huì)更快。您無(wú)法提高蝕刻速度。因此，如果工藝流程以沉積和蝕刻為主，而這些工藝步驟并沒(méi)有提高成本效率，那么添加更多層對(duì)于降低成本不再有效。”

蝕刻也只是多個(gè)步驟之一。“除了蝕刻之外，你還需要用非常薄的介電層上下均勻地填充這個(gè)孔，”Synopsys 的 Lin 說(shuō)。“通常情況下，由于晶圓的化學(xué)性質(zhì)，沉積幾納米的層并不容易。在這里，他們必須一路向下才能填滿。有亞原子層沉積方法，但它仍然具有挑戰(zhàn)性。另一個(gè)大挑戰(zhàn)是壓力。如果你建立了如此多的層，這些層會(huì)經(jīng)歷一些蝕刻/沉積/清潔/熱循環(huán)，這可能會(huì)導(dǎo)致局部和全局壓力。在局部，因?yàn)樵阢@孔后，需要在整個(gè)堆棧中切出一個(gè)非常深的溝槽。它變成了一個(gè)非常高的摩天大樓，搖搖欲墜。如果開(kāi)始進(jìn)行一些洗滌或其他過(guò)程，很多事情都可能導(dǎo)致兩座摩天大樓相互倒塌。那么就失去了收益。并且通過(guò)將如此多的材料相互疊放并切割不同的圖案，這會(huì)產(chǎn)生全局應(yīng)力并導(dǎo)致晶圓翹曲，這將導(dǎo)致晶圓廠無(wú)法處理，因?yàn)榫A必須是平的。”

值得注意的是，蝕刻正在穿過(guò)不同材料的層。

Objective Analysis 的 Handy 表示，三星的解決方案是創(chuàng)建極薄的層。“這對(duì)整個(gè)行業(yè)很有用，因?yàn)槊總€(gè)人都使用幾乎相同的工具來(lái)創(chuàng)造這些東西。”

讓它更好地工作

閃存的基本概念也存在固有的功能挑戰(zhàn)。“人們?cè)絹?lái)越依賴需要越來(lái)越強(qiáng)大的糾錯(cuò)算法來(lái)與這些設(shè)備一起工作，”Cadence 的 Greenberg 說(shuō)。

問(wèn)題是 NAND 閃存設(shè)備內(nèi)置的智能并不多。“通常情況下，SSD 發(fā)生在控制器端，”Greenberg 解釋說(shuō)。“控制器正在向 NAND 閃存設(shè)備發(fā)送命令，NAND 閃存設(shè)備會(huì)做出響應(yīng)，但它并沒(méi)有太多的智能。它只是響應(yīng)請(qǐng)求，例如針對(duì)特定地址的數(shù)據(jù)塊。NAND 閃存設(shè)備將簡(jiǎn)單地響應(yīng)該數(shù)據(jù)塊。但是在控制器端，你必須首先對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯(cuò)，然后確定該塊中是否存在不可接受的錯(cuò)誤數(shù)量，然后決定如何重新映射該塊地址空間并在其位置放置一個(gè)不同的塊。所有這些決定都發(fā)生在控制器端。”

盡管如此，由納米級(jí)摩天大樓建造的世界重新強(qiáng)調(diào)了 ONFI 控制器和 ONFI PHYS 等組件，并為設(shè)計(jì)人員提出了新的挑戰(zhàn)。

“內(nèi)存工廠可以生產(chǎn)的層數(shù)使與這些內(nèi)存接口的控制器的設(shè)計(jì)驗(yàn)證問(wèn)題變得非常復(fù)雜——而且它們可能并不那么明顯。SSD 控制器必須處理更多的內(nèi)存通道。將許多管道與越來(lái)越快（但永遠(yuǎn)不夠快）的主機(jī)接口連接起來(lái)會(huì)在非常意想不到的地方產(chǎn)生瓶頸，”西門子的 Whitehead 說(shuō)。“另一個(gè)設(shè)計(jì)驗(yàn)證挑戰(zhàn)是功率。長(zhǎng)期以來(lái)，大多數(shù)存儲(chǔ)控制器的優(yōu)先級(jí)較低，但現(xiàn)在已轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)鍵功能。移動(dòng)到較小的幾何節(jié)點(diǎn)會(huì)有所幫助，但代價(jià)高昂。商業(yè)模式不能容忍重新旋轉(zhuǎn)，更不用說(shuō)供應(yīng)鏈難以排長(zhǎng)隊(duì)了。上市時(shí)間的延遲讓高層管理人員非常清楚。存儲(chǔ)的增長(zhǎng)動(dòng)力甚至更多，這需要我們重新思考如何驗(yàn)證設(shè)計(jì)。AI 加速器需要更大的存儲(chǔ)控制器，這可能會(huì)很快消耗您的仿真和原型設(shè)計(jì)能力。邊緣智能需要數(shù)量級(jí)更復(fù)雜的設(shè)計(jì)驗(yàn)證。內(nèi)存計(jì)算，如 CSD，需要測(cè)試新的處理器組合，將 RTOS 和 HTOS 與以前看不見(jiàn)的工作負(fù)載混合在一起。”

這是人們?nèi)绱岁P(guān)注驗(yàn)證 IP 的原因之一。

西門子數(shù)字工業(yè)軟件公司的 ICVS 產(chǎn)品經(jīng)理 Joe Hupcey 表示：“使用此 IP 的自動(dòng)化可以快速生成測(cè)試平臺(tái)，讓設(shè)計(jì)和驗(yàn)證團(tuán)隊(duì)在幾分鐘內(nèi)啟動(dòng)并運(yùn)行。”?“這種生產(chǎn)力水平使我們能夠?qū)φ麄€(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行架構(gòu)探索，從而盡早對(duì)所選擇的權(quán)衡取舍充滿信心。同時(shí)，它還建立了自動(dòng)跟蹤指標(biāo)的框架——如代碼、功能和場(chǎng)景覆蓋率，使團(tuán)隊(duì)能夠衡量他們的進(jìn)度并擁有做出簽核決定所需的數(shù)據(jù)。最后，基于我們?cè)?CXL/PCIe 協(xié)議方面的專業(yè)知識(shí)，我們看到通用芯片互連快速 (UCIe) 等新興標(biāo)準(zhǔn)在使團(tuán)隊(duì)能夠協(xié)作以快速設(shè)計(jì)和驗(yàn)證這些大規(guī)模可擴(kuò)展內(nèi)存模塊方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。”

此外，Imec 正在探索 3D NAND 的潛在新結(jié)構(gòu)。它展示了所謂的“溝槽架構(gòu)”，這是一種設(shè)計(jì)變體，其中存儲(chǔ)單元是溝槽側(cè)壁的一部分，兩個(gè)晶體管位于溝槽的相對(duì)兩端。Imec 鐵電體項(xiàng)目總監(jiān) Jan Van Houdt 解釋了它的價(jià)值：“與目前使用的環(huán)柵（或圓柱形）架構(gòu)相比，3D 溝槽架構(gòu)具有雙倍密度的潛力。”

然而，他接著指出了一些缺點(diǎn)。“有兩個(gè)高縱橫比（=具有挑戰(zhàn)性的）蝕刻步驟而不是一個(gè)，以及在閃光情況下隧道氧化物中的電場(chǎng)較低。第二個(gè)缺點(diǎn)在使用鐵電 FET 時(shí)不存在，這使得溝槽版本對(duì)鐵比對(duì)閃存更有吸引力。”該設(shè)計(jì)仍處于原型階段。

結(jié)論

2016 年，專家指出，由于技術(shù)問(wèn)題，3D NAND 可能會(huì)在 300 層或接近 300 層時(shí)失去動(dòng)力。這似乎已被今天的謹(jǐn)慎樂(lè)觀所取代。

“在 SK海力士的 238 層之后我預(yù)計(jì)未來(lái)幾年層數(shù)將以大致相同的速度增加，”IBM 的 Pletka 說(shuō)。“然而，從技術(shù)角度來(lái)看，由于高縱橫比蝕刻工藝，增加層數(shù)受到挑戰(zhàn)，而且資本支出也受到挑戰(zhàn)，因?yàn)橹圃煨酒臅r(shí)間隨著層數(shù)的增加而增加。這就是為什么我們將通過(guò)制作更薄的層、橫向縮放（例如更密集地放置垂直孔）以及使用更有效的布局（例如共享位線和邏輯縮放）來(lái)看到新的縮放方向（例如，使用拆分門架構(gòu)或存儲(chǔ)更多每個(gè)單元的位數(shù)）。有了這些技術(shù)，預(yù)計(jì) NAND 閃存的存儲(chǔ)密度至少在未來(lái) 5 到 10 年內(nèi)會(huì)以類似的速度增長(zhǎng)。”

“當(dāng)人們說(shuō)我們不能超過(guò)這個(gè)層數(shù)時(shí)，沒(méi)有物理限制，”O(jiān)bjective Analysis 的首席分析師 Jim Handy 說(shuō)。“在半導(dǎo)體領(lǐng)域，總是有人說(shuō)我們做不到。我們不能在 20 納米以下進(jìn)行光刻。現(xiàn)在，他們正在研究 1 納米。三星談到了 1000 層。”

編輯|：黃飛

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