在本週於美國加州舉行的快閃記憶體高峰會(Flash Memory Summit)上,全球幾家主要的記憶體製造商紛紛表示看好3D NAND快閃記憶體(flash)的未來發展,並透露了一部份的開發藍圖。而其最近的競爭對手——長江存儲科技公司(Yangtze Memory Technology Corp.;YMTC)更積極接觸媒體,深入介紹其最新3D NAND技術架構與發展前景。

海力士(SK Hynix)也十分樂於提供其96層(96-layer)元件的詳細資訊。東芝(Toshiba)宣佈推出一款低延遲晶片,正面挑戰三星(Samsung)的Z-NAND和英特爾(Intel)的Optane。美光(Micron)僅簡要介紹其下一代計劃,而Western Digital (WD)則推出了全新軟體,作為其資料中心策略的一部份。

事實上,這些消息的發佈,正值硬碟仍主導目前的電腦儲存之際。然而,根據一些市場預測,NAND flash正在市場上刮起一陣旋風,預計到2025年將佔據市場的半壁江山。

海力士Tbit級晶片明年出樣

海力士宣佈將在今年年底前針對行動系統出樣其512-Gbit 96層晶片,採用11.3 x 13-mm2封裝。明年6月之前,該公司還將出樣一款以16 x 20-mm2封裝的Tbit級版本,即所謂的V5系列。這兩款晶片均採用電荷儲存架構,支援高達1.2-Gbits/s/pin的資料速率。

V5系列元件的尺寸比其現有72層NAND晶片更小30%,但讀取速度提高了25%,寫入性能也提升了30%。相較於現有的產品,整體功率效率大幅提高150%。

海力士目前已經開始研發128層的下一代產品了。該公司NAND開發和業務策略資深副總裁Hyun Ahn表示,該公司預計最終將提供堆疊高達500多層並在單一封裝中支援高達8 Tbits的晶片。

而近來才剛完成改革的東芝記憶體公司(Toshiba Memory Corp.)表示,明年初將會開始生產1.33-Tbit晶片。該晶片將會是採用其BiCS架構的Gen 4版本,支援96層和每單元4位元(4-bits/cell)架構。

另外,東芝並發佈XL-Flash晶片,可支援較其現有3-bits/cell元件的隨機讀取延遲更低1/10。這款元件採用更短的字線以及更多平面層,但也利用了現有的BiCS製程與介面。

該公司聲稱擁有主要的SATA市場,但也預期這種介面將在大約兩年內消失,取而代之的是SAS和NVMe介面。今年的快閃記憶體高峰會現場上就展示了多款採用PCI Express Gen 4的NVMe介面。

Toshiba XLFlash XL-Flash將與三星的Z-NAND和英特爾的Optane展開競爭(來源:Toshiba)

美光、WD的晶片藍圖

美光看好NAND成長態勢,但並未透露太多的發展藍圖。美光與英特爾最近才宣佈將於2019年結束雙方在3D XPoint記憶體的合作。

相較於其現有的96層元件,美光下一代NAND的寫入頻寬將增加30%,成本/位元將降低40%。該公司指出,這些進展一部份來自於專有的替代閘極和低電阻金屬。

該公司先前曾經表示計劃將4-bits/cell技術應用於其現有的3D NAND元件,以提供Tbit級晶片。美光非揮發記憶體整合部門副總裁Russ Meyer表示,該公司預計其設計將可擴展到200層以上,並順利進展至下一個十年。

Western Digital則推出新的硬碟和固態陣列與管理軟體,期望在蓬勃發展的資料中心儲存市場佔據更大份額。WD資料中心部門總經理Phil Bullinger表示,這兩種系統的機械設計和新的虛擬化API都將開放。

WD的OpenFlex E3000將採用NVMe在3U系統中封裝高達610TB的NAND儲存。D3000將在搭載25-Gbit/s乙太網路的1U機箱中承載高達168TB的硬碟儲存空間。

該公司預計一些大型資料中心將設計各種不同的硬體以滿足其需求。他們還預計第三方公司將會在WD新的虛擬化API之上編寫自己的管理軟體。

Objective Analysis資深儲存分析師Jim Handy說:「儲存技術變得越來越複雜,因此,供應商不能再只是提供簡單的儲存元件,而將剩餘的系統設計留給OEM。」。

東芝和其他幾家公司也分別推出了軟體,通常都採用NVMe協議,透過乙太網路和其他結構管理儲存網路。

長江存儲積極搶進NAND市場

儲存產業新秀——長江存儲則希望在明年7月開始生產64層256-Gbit NAND,其上並採用晶圓鍵合週邊裝置I/O電路。如果一切順利,一年之後,就可能在中國武漢總部的新廠第一階段,以月產10萬片的速度量產約100-mm2的晶片。

新廠的第二階段則將使64層元件達到300,000片的月產能。然而,目前開發中的下一代128層元件的尺寸將會更小。

支援4-bits/cell架構的128層晶片可望在18個月內準備就緒,提供512-Gbit或甚至是Tbit級的晶片,實際取決於長江存儲所使用的晶片尺寸。記憶體產業資深專家和紫光集團(Unigroup)代表高啟全表示,如果成功了,這種設計就能夠推動該公司在全球NAND市場佔據10~20%的佔有率,並得以在起伏不定的市場中生存下來。

長江存儲執行長楊士寧說:「我們並不會虧本追逐規模。」他強調該公司選擇不在此時出貨第一代64-Gbit元件。

雖然產量和可靠度可以接受,「但從成本的角度來看,它並沒有競爭力。」他並補充說64層元件應該達到三星最新元件位元密度的10~20%,並可望為長江存儲帶來10%~20%的利潤。

Xtacking架構的技術基礎來自前XMC於武漢廠為CMOS成像器開發5年多的晶圓鍵合技術。長江存儲並將其「幾微米的間距」縮小到僅約100nm,以用於3D NAND。

為了校準單獨的NAND和I/O晶圓——這項工作中最棘手的部份,晶圓廠使用位於晶圓上方和下方的攝影機與診斷工具。透過等離子體活化被擠壓在一起的晶片表面,並以低溫退火處理。然後,在I/O晶圓的背面進行加工,以便在晶片背面形成焊墊。

楊士寧說,這種方法並不至於影響產能,也將會用於64層晶片上。可靠性數據「看起來還不錯」,而且記憶體單元尺寸和耐久性也都與競爭產品差不多。

儘管如此,楊士寧說:「走上這條道路需要一些勇氣,因為要讓這項技術發揮作用並不容易……高啟全和我來來回回多次後才做了這個決定。」

YMTC Xtacking die Xtacking 3D NAND晶片模擬圖(來源:YMTC)

長江存儲憑藉其1,500多名工程師和500項中國和國際專利,自行開發出Xtacking技術。同時,它還獲得了Arm、IBM、Spansion和研究機構的授權技術。因此,儘管受到目前的出口管制,楊士寧仍表示,相信長江存儲仍然能夠取得所需的設備和材料——這是該公司從美國採購的最大部份。

編譯:Susan Hong

(參考原文:NAND Makers Up Flash Ante,by Rick Merritt)