三星闪存，280层
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在存储市场触底反弹之际，三星也正在跃跃欲试，为未来做好充分的准备。
根据最新的消息透露，在即将举办的ISSCC大会上，三星除了将展示速度惊人的GDDR7 VRAM外，还将带来高速的下一代280层闪存。与此同时，三星还在近日公开公司的3D DRAM计划。
让我们来看一下存储巨头的最新进展。
NAND，280层
在今年的ISSCC上，三星希望推出迄今为止数据密度最高的新型NAND 闪存。据了解，三星届时将会分享一篇题为《A 280-Layer 1Tb 4b/cell 3D-NAND Flash Memory with a 28.5Gb/mm² Areal Density and a 3.2GB/s High-Speed IO Rate》的演讲，披露其下一代V9闪存。
如标题所说，三星开发出了每单元 4 位的新一代 QLC NAND 闪存，据说其面积密度极高，达到每平方毫米 28.5 Gbit。这显然将取代目前在这方面处于领先地位的长江存储 (YMTC)，其 232 层 QLC NAND 容量为 19.8 Gbit/mm² 。从这个数据看来，即使是SK海力士宣布的超过300层和20.0 Gbit/mm²的高密度TLC-NAND，以及英特尔首款每单元5位和23.3 Gbit/mm²的PLC-NAND，都不记得三星新内存的密度。
根据三星2022年的一份报告，三星基本上全力投入QLC开发。随着 TLC 闪存架构开始达到原始存储容量的极限（就像之前的 SLC 和 MLC 一样），QLC 代表了希望不断突破主流消费 SSD 容量极限的 SSD 制造商的未来。它甚至可能会在未来进入企业级SSD。
V9只是三星QLC路线图的下一步。未来几代产品的速度应该会比 V9 更快，并且最终可以在原始性能方面与当今即将推出的 TLC 闪存架构直接竞争。
V9 的速度也不会慢，据报道，三星的 V9 QLC 的最大传输速率为 3.2 Gbps。这比其即将推出的仅提供 2.4 Gbps 的基于 QLC 的产品要快得多。过去，速度一直是 QLC 的一个根本问题，而三星的新款 V9 NAND 闪存表明，它已经在解决这个问题方面取得了长足的进步。V9 的速度为 3.2 Gbps（每个芯片），对于 PCIe SSD 来说应该绰绰有余。当然，它在实践中的表现如何还有待观察。
目前尚不清楚的是，当直接以 QLC 模式写入时，性能会如何扩展。目前所有的 QLC SSD 都使用 pSLC 缓存，其容量高达总可用容量的 25%，性能显着提高。根据 NAND 的不同，一旦缓存已满，我们通常会看到写入速度下降至 100~300 MB/s。
如果性能足够好，三星新款基于 QLC 的闪存将于今年晚些时候上市，可能会从根本上改变消费者 SSD 格局。QLC 仍然可能无法为高性能 SSD 提供服务，例如那些支持 PCIe 5.0 传输速度的 SSD，但它应该非常适合较低层的 PCIe 驱动器。由于存储密度领先近 50%，我们可以预期任何采用新型 V9 QLC 闪存的三星新硬盘都将提供具有竞争力的价值，并可能具有业内最优惠的每 GB 价格。
根据市场需求，三星甚至有可能提供容量超过 8TB 的 V9 QLC M.2 硬盘，这是目前消费类 M.2 硬盘中容量最高的。三星甚至有可能推出单面 8TB 硬盘。
近年来，三星多次强调QLC-NAND将继续存在。到目前为止，缓慢的写入速度一直是一个致命弱点，但这方面也应该有进步。高表面密度首先确保了一件事：降低制造成本，因为晶圆上安装的位数越多越好。
GDDR7 VRAM：37 Gbps
GDDR（即图形双倍数据速率内存，最初称为 DDR SGRAM ——double data rate synchronous graphics RAM）则是三星这次展示的另一个亮点。这项技术的最新进展是 GDDR7，三星在 2022 年技术日上首次公布了这一技术。
2023年7月，三星表示，该公司已完成业界首款图形双倍数据速率 7 (GDDR7) DRAM 的开发。并将在当年剩下的时间将首先安装在重点客户的下一代系统中进行验证，推动图形市场的未来增长，并进一步巩固三星在该领域的技术领先地位。
三星表示，继公司于 2022 年开发出业界首款 24Gbps GDDR6 DRAM 之后，该公司的 16 Gb GDDR7 产品将提供业界迄今为止最高的速度。尽管高速运行，集成电路 (IC) 设计和封装方面的创新仍提供了更高的稳定性。
“我们的 GDDR7 DRAM 将有助于提升需要出色图形性能的领域（例如工作站、PC 和游戏机）的用户体验，并有望扩展到人工智能、高性能计算 (HPC) 和汽车等未来应用。”三星电子内存产品规划团队执行副总裁 Yongcheol Bae 说道。“下一代图形 DRAM 将根据行业需求推向市场，我们计划继续保持在该领域的领先地位。”
三星进一步指出，GDDR7 实现了令人印象深刻的 1.5 TBps 带宽，是 GDDR6 1.1 TBps 的 1.4 倍，并且每个引脚的速度提升至高达 32 Gbps。这些增强是通过新内存标准采用的脉冲幅度调制 (PAM3) 信号方法而不是前几代的不归零 (NRZ) 信号方法实现的。在相同的信令周期内，PAM3 允许比 NRZ 多传输 50% 的数据。
值得注意的是，如三星所说，与GDDR6相比，最新设计通过针对高速运行优化的省电设计技术，能效提高了20%。对于笔记本电脑等特别注重功耗的应用，三星提供了低工作电压选项。
为了最大限度地减少热量产生，除了 IC 架构优化之外，三星在新一代的GDDR的封装材料还采用了具有高导热性的环氧模塑料 (EMC)。为此与 GDDR6 相比，这些改进使GDDR 7热阻大幅降低了 70%，即使在高速运行的条件下也有助于稳定的产品性能。
但三星并不止步于此，在即将于2 月份在旧金山举行的为期五天的2024 年 IEEE 国际固态电路会议上，三星将带来新的GDDR7展示，届时他们将带来“A 16Gb 37 Gb/s GDDR7 DRAM with PAM3-Optimized TRX Equalization and ZQ Calibration”的论文。虽然没有太多细节，但从标题可以看到，三星已经将GDDR 7的速度提升到了37 Gb/s 。
GDDR7 内存将利用 PAM3 和 NRZ 信号，旨在实现每个引脚高达 37 Gbps 的数据速率。它的发展涉及提高信号传输速率和突发大小，而无需显着提高存储单元的内部时钟。这使得每个 GDDR 版本都可以提高内存总线频率，从而提高性能。
然而，随着频率增加变得复杂，业界正在探索其他解决方案。例如，GDDR6X 用 PAM4 编码取代了传统的 NRZ 编码，从而有效地将数据传输速率提高了一倍。由于波特率降低，PAM4 还显著减少了信号损失。
然而，GDDR7 将利用 PAM3 编码，这是 PAM4 和 NRZ 信号之间的折衷方案。这使得每个周期的数据传输速率比 NRZ 更高，从而减少了对更高内存总线频率的需求。GDDR7 承诺比 GDDR6 更好的性能，以及比 GDDR6X 更低的功耗和实施成本。
由于采用 PAM3 信号而不是传统信号方法，GDDR7 VRAM 预计不仅会在带宽方面得到巨大改进，而且还会在功耗方面（与 GDDR6/X 的性能水平相同）带来巨大改进。当然，充分利用 GDDR7 仍然可以看到它使用与现代 GDDR6 配置相当的功率，只是每瓦性能更高。USB4 的下一个版本预计也将采用 PAM3 信号以降低功耗。
此外，GDDR7 还提供了优化内存效率和功耗的方法。这包括四种不同的读取时钟模式，使其仅在需要时运行。GDDR7 内存子系统还可以并行发出两个独立的命令，从而优化功耗。
至于其发布，GDDR7 预计将与AMD和NVIDIA的下一代 GPU 一起发布，时间很可能在今年晚些时候。
值得一提的是，预计今年 ISSCC 上将出现两个版本的 GDDR7 VRAM：来自 SK hynix 的低功耗 35.4 Gb/s 每引脚 GDDR7，以及来自三星的更高功率 37 Gb/s 每引脚 GDDR7。而根据 Micron 的说法，GDDR6X 每个引脚的带宽大约为 19-24 Gigabits。
3D DRAM，提前下子
除了NAND 和GDDR，三星还公布了公司的3D DRAM布局。
3D DRAM是一种具有新结构的存储芯片，打破了当前老化的范式。现有的DRAM产品开发侧重于通过减小电路线宽来提高集成度，但随着线宽进入10 nm范围，电容器电流泄漏和干扰等物理限制显着增加。为了防止这种情况发生，引入了高介电常数（高K）沉积材料和极紫外（EUV）设备等新材料和设备。但半导体行业认为，微型化制造10纳米或更先进的芯片将为芯片制造商带来巨大挑战。
据报道，三星电子已被证实已成立新的下一代内存研发（R＆D）组织，以抢占通常被称为“梦想内存”的3D DRAM市场。据业内人士透露，三星电子半导体（DS）部门最近在硅谷的半导体美国总部（DSA）设立了尖端存储器研发机构。该组织由三星电子 DS 部门首席技术官 (CTO) 兼半导体研究所所长 Song Jae-hyeok 领导，致力于 3D DRAM 的开拓性研究。
3D DRAM 被誉为内存半导体行业的“游戏规则改变者”，有可能彻底改变全球 DRAM 市场格局。虽然当前的 DRAM 具有单元在单个平面上密集排列的 2D 结构，但 3D DRAM 可以通过增加同一区域的密度来显着提高性能，无论是水平放置单元并向上堆叠，还是使用双层的垂直方法。
三星电子凭借2013年全球率先实现3D垂直结构NAND商业化的经验，也计划押注DRAM领域的3D。
去年3 月 10 日，在首尔 COEX 举行的 IEEE EDTM 2023 上，三星电子半导体研究中心副总裁兼工艺开发办公室负责人 Lee Jong-myung 表示：“3D DRAM 被认为是半导体行业未来的增长动力。”负责SK海力士未来技术研究院的SK海力士副总裁Cha Seon-yong也在2023年3月8日表示，“到明年（2024）左右，有关3D DRAM电气特性的细节将被公布，决定他们的发展方向。”
去年 10 月，在硅谷举行的 2023 年三星内存技术日上，内存业务总裁 Lee Jeong-bae 宣布，“我们将率先在 10 纳米以下的 DRAM 中引入 3D 垂直新结构。”他们声称 ，10 纳米以下 DRAM 的新结构将允许单芯片容量超过 100 GB。
业内专家认为，最先开发并量产3D DRAM的公司将在下一代DRAM市场中占据领先地位，这与NAND闪存市场中的层竞争相呼应。
3D DRAM 领域的技术竞争也在加剧。据半导体技术分析公司TechInsights称，内存半导体市场排名第三的美光正在积极准备蓝海市场，到2022年8月已获得30多项3D DRAM专利技术。相比之下，三星在3D DRAM方面仅拥有15项相关专利，SK海力士更是只有大约10项。
除了上述技术以外，HBM也是三星的重点，这也是美光和SK海力士正在大力投入的领域。
参考链接：
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