闪存，不止堆叠

公众号新闻

2024-08-03 03:08

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由于数据量爆炸式增长，闪存变得越来越重要

由于各种系统的自动化、汽车的电气化以及生成式AI（人工智能）的普及，数据量呈爆炸式增长。为了处理大量数据，越来越多地采用高性能处理器。在此背景下，NAND闪存（以下简称闪存）变得越来越重要。

负责存储数据和程序的闪存，随着数据量的增加，需要向更大容量、提高读/写性能、降低功耗、更快接口等各方面发展。

为了响应市场需求，铠侠一直在开发技术来提高闪存的容量和存储密度。

对于不完全依赖“高楼大厦”的闪存演进，铠侠有何看法？

Kioxia 是一家于 1987 年发明闪存的制造商，其使命是“用内存让世界变得更有趣”。此后近40年持续推动闪存技术演进。

闪存首先在二维（平面方向）上发展。通过互连小型化技术提高了每个硅芯片的存储容量和存储密度。小型化已成为闪存制造商的竞争来源，但当互连宽度达到15 nm时，小型化就达到了极限。不可忽视的问题正在增加，例如“存储单元彼此距离太近时会产生漏电流”和“存储在一个存储单元中的电子数量减少，从而影响读写的可靠性”。’这是一具尸体。

这一次，进化始于三维（垂直）堆叠存储单元的方法。通过增加堆叠层数，单位面积的存储单元数量增加，从而实现更高的容量和更高的集成度。2007 年，Kioxia 宣布推出堆叠存储单元的 3D 闪存技术。2015年，该公司以“BiCS FLASH”品牌商业化了48层3D闪存（注1）。从那时起，BiCS FLASH 大约每两年就会发布一次，层数也会增加。2021年，发布第6代162层BiCS FLASH。

近年来，闪存制造商特别积极地开发通过使存储单元变得“更高”来提高存储密度的技术。每次推出新一代闪存时，层数都会增加，有些产品的层数超过 200 层。然而，铠侠内存业务总经理 Atsushi Inoue 表示：“增加内存单元的层数只是增加容量和提高存储密度的一种方法，我们不仅仅专注于增加堆叠层数。” “不，”他说。

增加堆叠存储单元的数量在成本和制造工艺方面存在许多问题。最明显的就是加工难度增加。每层都必须做得很薄，并且堆叠时高度会增加，因此为了形成存储单元，需要高精度地加工非常深且窄的孔。这需要引进最先进的设备，但成本高昂。随着堆叠存储单元数量的增加，生产时间也会增加。

井上先生表示：“对于铠侠来说，3D闪存最重要的是如何有效提高存储单元的集成度和密度。单片晶圆可以制造多少GB？也就是说，提高存储单元的集成度和密度很重要。”

根据这一设计理念开发并在铠侠四日市工厂（三重县四日市市）和北上工厂（岩手县北上市）制造的最新闪存是218层BiCS FLASH第8代（注2）。

“CBA”，其中控制电路和存储单元在单独的晶圆上制造

第8代BiCS FLASH最大的特点是引入了一种名为“CBA（CMOS直接接合阵列）”的技术。该技术涉及在不同的晶圆上创建控制存储单元和存储单元阵列的 CMOS 电路，然后翻转存储单元阵列一侧的晶圆并将两个晶圆粘合在一起。

之前的第6代BiCS FLASH使用“CUA（CMOS Under Array）”，在CMOS电路上形成存储单元阵列。在 CUA 工艺中，在先前创建的 CMOS 电路之上创建单元阵列，然后在高温下退火以提高存储单元的可靠性。然而，高温处理使CMOS电路的晶体管特性恶化。因此，CUA制造工艺具有显着的温度限制，这一直是进一步提高存储单元性能的障碍之一。

（图片来自铠侠）

CBA的优点是可以使用最佳工艺制造CMOS电路晶圆和存储单元晶圆。由于高温处理仅适用于存储单元阵列晶片，因此可以在确保可靠性所需的温度下进行处理，而无需考虑对CMOS电路的影响。通过分离晶圆制造工艺，可以最大限度地提高 CMOS 电路和存储单元的性能。

由于两种类型的晶圆是并行制造的，因此与传统方法相比，该方法还具有减少生产时间的优点。

然而，“粘合”晶圆绝非易事。这是因为为了保证闪存的可靠性，必须以极高的精度进行对准。“如果晶片的直径为 1 公里，则需要以 1 毫米或更小的精度将晶片粘合在一起，”Inoue 先生说道。如果对准精度下降，性能就会受到影响，例如“它不能作为闪存工作”或“即使工作，其寿命和可靠性也会显着降低。”

（图片来自铠侠）

BiCS FLASH 第 8 代的电子显微照片。粉色线是接合面，上方是存储单元阵列，下方是CMOS电路。可以看出，他们的结合非常完美。它的另一个特点是节距宽度非常窄，只有几微米。

为了将两个晶圆完美地粘合在一起，每个晶圆的表面必须非常平坦，需要复杂的整平工艺。CBA技术是这些先进技术作为制造工艺的成果，是BiCS FLASH第8代。

BiCS FLASH第8代有218层，相比上一代产品层数有所增加。“层数比同代竞品（约230层的3D闪存）减少了5%以上。但是根据我们的计算，千兆字节密度大约高出15-20%。我们的方法是，看来高效地实现了高度集成。”（井上先生）

第8代BiCS FLASH实现了显着更高的密度和改进的性能。与上一代BiCS FLASH相比，千兆字节密度提高了50%。写入性能提升20%，读取速度提升10%。功耗降低了 30%（写入时）。实现的接口速度为3.6Gbps（千兆位每秒（注 3））。“CBA的引入改善了存储单元本身的特性，这直接导致了写入性能等的提高（井上先生）”

（图片来自铠侠）

“将性能提高这么多绝非易事，”井上说。“一般来说，随着堆叠存储单元数量的增加，每一层都会变得更薄，存储单元也会变得更小，因此如果不创建存储单元，存储单元本身的‘基本特性’往往会恶化。你将无法提高性能。我认为这是内存供应商正在努力解决的问题。但是，每一代提高约 10% 的性能可能是它已经成为的指标和目标之一。

井上先生表示：“通过增加层数来提高存储密度是一种有效的方法，但重要的是通过引入当时最合适的技术（例如CBA）来改进，而不依赖于堆叠层数。我们相信第8代BiCS FLASH是一个完整的产品。”

数据中心对 SSD 的需求不断增长

BiCS FLASH 第 8 代面向广泛的应用，包括越来越多地安装在 PC、智能手机存储、数据中心 SSD、企业 SSD 和车载存储中的 PCI Express 5.0 (PCIe Gen 5) 兼容 SSD。“我们收到了客户对可靠性和性能方面的积极反馈，我们已经向其发送了样品。”（井上先生）

特别有前途的是它在数据中心的应用。“由于生成式人工智能的普及，HBM（高带宽内存）在数据中心服务器中得到越来越多的采用，其功耗极高。因此，对小型、轻量、低功耗的 SSD 的需求正在增加。”井上）先生）。我们相信，在企业领域，SSD对HDD的替代也将会加速。

“我们将继续开发高密度闪存，提高各方面的性能，扩大闪存的用途，旨在与我们的合作伙伴公司合作，实现更美好的社会。”（井上先生）

随着生成大量数据的应用程序数量的增加，闪存作为“数据存储目的地”的重要性将继续增长。Kioxia 的 BiCS FLASH 第 8 代必将为存储带来新的价值。

参考链接：

https://eetimes.itmedia.co.jp/ee/articles/2407/30/news001.html

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