[原创] 铠侠谈3D NAND闪存技术的未来
2021-09-28
14:00:22
来源: 半导体行业观察
熟悉存储行业的读者应该知道，东芝公司的舛冈富士雄在1987年发明了NAND闪存。而后，这种存储产品便在市场上蓬勃发展，到了智能手机时代，NAND Flash更是大放异彩。
据中国闪存市场ChinaFlashMarket预估，2020年全球NAND Flash市场销售规模超过550亿美元，较2019年增长21%，全球NAND Flash GB当量更达到4000亿GB当量，年增幅31%。当中很大一部分是由智能手机所贡献的。
不过进入最近几年，因为智能手机波动比较大，很多人对NAND Flash的未来产生了疑问，但在由东芝存储业务更名后成立的铠侠看来，NAND Flash市场还是前景看好。
一方面，虽然智能手机短期走弱是不争的事实，但从长期看来，在5G的推动下，智能手机的闪存需求量还将继续增长；另一方面，疫情的出现改变了人们工作生活的方式，加上当前的科技发展浪潮，数据中心的需求必将水涨船高，这势必会带动闪存的需求；第三，随着汽车往更高级别的自动驾驶演进，自不然会有更高容量的闪存需求。
这也是铠侠看好的三大存储机遇。作为行业领先的专家，他们已经在产能和技术方面做好了全方位的规划。
首先看技术方面，这是铠侠赖以生存的根本。只要拥有了这些，铠侠才有面向未来的底气。而要谈铠侠的闪存技术，BiCS是必然不能错过的，因为这是铠侠一切闪存技术的基础。
官方资料显示，这是他们在2007年推出的3D闪存技术。而到了今年五月，则升级到了第六代。据介绍，这是一个162层的3D闪存技术。是他们迄今为止密度最高、最先进的3D闪存技术，采用了广泛的技术和制造创新。
这款第六代3D闪存具有超越传统八列存储孔阵列的先进架构，与第五代技术相比，平面单元阵列密度最多提高了10%。这种平面方向上的细微化技术进步与162层垂直堆叠相结合，裸片尺寸与112层堆叠技术相比减少40%，从而优化了成本。
铠侠和西部数据团队还应用了Circuit Under Array CMOS配置和4Plane操作，与上一代相比，这两项技术在写性能方面提高了近2.4倍，在读取延迟方面缩短了10%。此外，I/O性能也提高了66%，使下一代接口能够支持不断增长的对更快传输速率的需求。
总体而言，与上一代相比，新的3D闪存技术降低了每比特成本，并且将每片晶圆可制造的比特数提高了70%。铠侠和西部数据将继续推动创新，确保持续细微化以满足客户及其多样化应用的需求。
从铠侠BiCS，或者三星、美光还是英特尔的3D闪存的发展看来，现在厂商都已经在追求更高的层数，从垂直方向发展闪存。但正如铠侠方面所说，虽然有行业专家指出3D闪存可以堆叠到1000层，但他们随着堆叠层数的增加，制造闪存的成本和时间会提升。为此他们也开始探索往横向发展3D闪存。
铠侠株式会社技术执行官柳茂知在闪存峰会的演讲上也表示：“部分人可能认为堆叠层数是3D NAND容量增长的最重要参数，但是其实并不完全正确，没有必要以厚度增加为代价一味增加堆叠层数。”他进一步指出，铠侠也十分注重平面密度提升。“一直到BiCS 5闪存芯片，铠侠都是采用CNA结构，即CMOS电路布置在存储阵列旁边，因为这种结构可以最大程度缩短生产时间，优化晶圆厂产出。”柳茂知强调。
但来到BiCS6 162层闪存芯片中，铠侠开始采用CMOS电路配置在存储阵列下方的CUA结构。据了解，这种设计的芯片厚度会大于CAN结构，但铠侠表示，从单片晶圆中产出的芯片数量的增加可以弥补生产时间变长的影响。面向未来铠侠后续还将引入CBA结构，即CMOS／存储阵列键合，存储阵列和周边电路会分别生产。最终，将两片晶圆键合在一起以形成一个存储器芯片。
除此以外，PLC和Twin BiCS也是铠侠提升平面存储密度的重要途径。
所谓PLC，是penta level cell的简称，这是一种存储5电位的设计。但铠侠并不满足于此，在之前的学术会议上，铠侠还谈到了存储6电位的HLC（hexa level cell）和存储8电位的OLC（octa level cell）。
至于Twin BiCS，则是铠侠在2019年推出一个闪存新技术。据介绍，这是全球首个3D半圆形分裂浮栅极闪存单元。其使用的技术主要有半圆形、分裂、浮栅极，简单来说就是将传统的浮栅极分裂为两个对称的半圆形栅极，利用曲率效应提高闪存P/E编程/擦除过程中的性能。
在学术会议上，铠侠还谈到过一个叫做晶圆级SSD的设想，希望能够用生产出来的整个晶圆当做SSD硬盘用。
但我们必须强调一下，铠侠上述的设想都是他们对于技术未来的设想，现在只是处于最初始的阶段。但透过这些“异想天开”，我们看到了闪存的无限可能。
基于上述闪存技术和产品，铠侠打造了面向智能手机和数据中心等市场的丰富产品线。例如面向智能手机有UFS系列产品；面向企业级应用有SAS SSD、PCIE Gen 4 SSD、EDSFF E3S和E1S SSD和低延迟SSD。铠侠还将推出今年第四季度推出支持PCIe Gen5及EDSEF E3.S接口的企业级SSD—CD7系列；面向汽车市场，除了规划了UFS产品以外，铠侠方面表示，为了满足汽车更高的容量需求，公司正在与合作伙伴探讨SSD在汽车上的应用。
有了领先的产品固然重要，但是否有适当的产能规划则是存储企业能够腾飞的关键。而他们也的确面向现在的市场现状和趋势做好了充分的准备。
根据闪存市场ChinaFlashMarket数据，今年上半年，铠侠约占全球NAND Flash市场份额19%，排名第二。从铠侠技术执行官柳茂知早前在闪存峰会上的介绍我们得知，这些闪存芯片大多数是在日本四日市（Fab N-Y2, Y3, Y4, Y5, Y6五栋无尘厂房）和岩手县北上市（K1）生产的。
纵观全球闪存厂商的规划，无不在大力投资扩产，铠侠自然也不甘人后。
据《日刊工业新闻》在今年五月披露，铠侠预计将投资高达约2兆日圆（约183.7亿美元）来提高3D NAND的产能。当中包括在岩手县北上市新建K2工厂，估计其规模可能将是K1厂房的2倍，计划2023年开始营运。此外，铠侠在日本四日市也正在新建Fab7工厂，该工厂的建设分为两个阶段，第一阶段的建设计划于2022年春季完成，用于生产先进的BiCS FLASH。
正如铠侠所说，存储是一个有周期性的产品。但从现状看来，他们似乎已经运筹帷幄。
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