《电子技术应用》

4D NAND抢了长江存储Xtacking的风头?比一比就知道了

2018/8/9 21:39:17

这几天,Flash Memory Summit正在美国举行。昨天,关于此次峰会,行业主要关注的焦点就是我国的长江存储在会上正式发布了全新的3D NAND架构:Xtacking。


今天,SK海力士成为了另一家备受关注的企业,因为该公司在峰会上宣布推出全球首款4D NAND闪存。


当下,3D NAND发展的如火如荼,而且相应技术仍处于前沿地带,而SK海力士的宣传更加吸引眼球,直接推4D产品。


4D闪存技术并不是SK海力士发明的。据悉,该技术最早是由APlus Flash Technology公司提出的,其技术原理是NAND+类DRAM的混合型存储器,采用了“一时多工”的平行架构,而3D-NAND只能执行“一时一工”。若一到十工同时在4D闪存系统执行时,其速度会比3D-NAND快一到十倍。


打个比方,按照爱因斯坦的“相对论”, 时间已不是常数,因此,可以认为时间在4D闪存系统中变长了,从而能够处理更多的事情。反之,时间在3D-NAND系统中可以认为变短了,则处理的事情也就少了。


总的来说,4D闪存的设计理念是集前端高速易失性DRAM和后端低成本、非易失性的3D-NAND于一身,巧妙地克服了3D-NAND的缺点。4D闪存是“统一型设计”架构,在制程工艺不变的情况下,可直接应用到各种3D-NAND上。


4D NAND究竟如何?


实际上,SK海力士在今年5月25日就正式发布了4D NAND产品:96层堆叠的512Gb TLC。本次峰会上,该公司更具体地介绍了该款产品。


SK海力士称其是业内第一款4D闪存:V5 512Gb TLC,采用96层堆叠、I/O接口速度1.2Gbps(ONFi 4.1标准)、面积13平方毫米,今年第四季度出样。

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此外,BGA封装的可以做到1Tb(128GB),模组最大2TB,若放到2.5英寸的U.2中,则可以做到64TB,2019年上半年出样。


性能方面,V5 4D闪存芯片的面积相较于V4 3D产品减小了20%、读速提升30%、写速提升25%。另外,V5 4D闪存也规划了QLC产品,通过96层堆叠,单Die最小1Tb,明年下半年出样。


据悉,SK海力士内部的4D闪存已经推进到了128层堆叠,很快可以做到单芯片512GB。


该公司曾于2015年做到单芯片8TB。目前,SK海力士的3D NAND是72层堆叠,单芯片最大512Gb(64GB),首款企业级产品PE4010已于今年6月份出货给微软Azure服务器。


峰会上,SK海力士还阐述了其3D NAND的技术路线选择,该公司称,CTF(Charge Trap Flash,电荷捕获型)比Floating Gate(浮栅型)存储单元面积更小、速度更快、更耐用(P/E次数多)。


而三星公司从2013年的第一代V-NAND 3D闪存就开始使用CTF了,东芝/西数(闪迪)的BiCS亦是如此。当然,美光/Intel还是坚持浮栅,不过这倒无所谓,毕竟他们有更厉害的3D Xpoint(基于相变内存,还有一种说法是ReRAM磁阻式内存)。


另一家巨头——美光在峰会上推出了“CuA”,用于美光的第四代3D NAND中。CuA是CMOS under Array的缩写,即将外围CMOS逻辑电路衬于存储芯片下方,它有三大好处,提高了存储密度、降低了成本、缩短了制造周期。号称比第三代(96层堆叠)写入带宽提升30%、每存储位的能耗降低40%。


禁不住做个比较


在本次Flash Memory Summit峰会上,SK海力士和我国的长江存储先后都推出了前沿的闪存技术,不免要进行一下比较。


长江存储推出了Xtacking架构,其将外围电路置于存储单元之上,从而实现比传统3D NAND更高的存储密度;其最大的特点是高速I/O,高存储密度,以及更短的产品上市周期。特别是在I/O速度方面,目前,世界上最快的3D NAND I/O速度的目标值是1.4Gbps,而大多数供应商仅能供应1.0 Gbps或更低的速度。利用Xtacking技术有望大幅提升NAND的I/O速度至3.0Gbps,这与DRAM DDR4的I/O速度相当。


据悉,长江存储已经把这项技术运用到相应的存储产品中(可能是64层堆叠的),预计明年开始量产,采用14nm制程工艺。


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而SK海力士的4D闪存的外围电路和Xtacking正相反,在存储单元下方,据说这种设置的好处有三点,一是芯片面积更小、二是缩短了处理工时、三是降低了成本。


可见,长江存储的Xtacking更强调存储密度和高速的I/O,而SK海力士的4D闪存更强调集成度和成本。这也是和两家企业的基本状况相符的。


由于SK海力士是当今全球三大存储器厂商之一,其规模和技术功底肯定是明显高于长江存储的。SK海力士4D闪存已经做到了96层堆叠,而长江存储的第一代产品今年底才量产,采用的是32层堆叠,其全线产品的总体存储密度是低于SK海力士的,因此,“缺什么补什么”,Xtacking重点关注存储密度也就顺理成章了。且Xtacking的最大特点是I/O速度,高达3.0Gbps,明显高于SK海力士的1.2Gbps,如果Xtacking能够顺利量产的话,I/O指标真能达到3.0Gbps,那也是业界首创了,再加上中国本土产品先天的成本优势,还是相当有竞争力的。


如前文所述,4D闪存的技术原理是NAND+类DRAM的混合型存储器,集前端高速易失性DRAM和后端低成本、非易失性的3D-NAND于一身。而Xtacking具有3.0Gbps的I/O吞吐量,很可能是在类DRAM层面实现了技术突破,我们知道,长江存储是主攻NAND闪存的,取得上述突破,可见其在存储器整体技术水平上已经具有了比较强的实力(当然,相对于几家国际大厂,还是有明显差距的),在这方面,后续很可能会有新看点和惊喜,值得期待。


反观SK海力士的4D闪存,由于其96层(128层估计也不远了)堆叠在存储密度上已经很有竞争力了,所以该公司将关注的焦点放在了集成度和成本上。集成度方面自不必说,所有数字和逻辑电路的大势。


看点在成本上,由于中国相当重视存储器产业,国家大力支持,无论是DRAM,还是NAND Flash,都有大项目先后上马,且今明两年陆续实现量产,这给一直垄断全球存储器市场的那几家大厂施加了不小的压力。中国一旦在技术和量产层面突破,其先天的成本优势很可能对几家大厂的中低端产品形成摧枯拉朽的态势。因此,SK海力士将前沿产品的成本放在重要考量位置,也可以算是未雨绸缪了。


结语


回顾NAND发展史,从1991年推出8Mb的2D-NAND,到2017年推出512Gb的3D-NAND为止,共花了26年。若以“摩尔定律”每两年容量翻倍计算,应只能增加2¹³倍。但实际上,NAND容量却增加了2¹⁶倍。


3D-NAND延续了2D-NAND高容量、低成本等优点,但也遗传了其读写速度慢、资料品质差等缺点。这些说明3D-NAND仍有很大的成长空间,除了那几家传统巨头外,新玩家紫光(长江存储)、旺宏、Cypress等,也在陆续推出新型3D-NAND,加入战局。


至于命名方面,是4D闪存,还是在3D基础上取个吸引眼球的名字,就显得不那么重要了。


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