【导读】在日前的第 70 届 IEEE 国际固态电路会议 (ISSCC) 期间，韩国存储芯片大厂 SK 海力士（SK Hynix）展示了最新300 层堆叠第 8 代 3D NAND Flash的原型，令与会者大吃一惊。
SK海力士在会议在发表会的标题订为 “高密度存储和高速接口”，其中描述了该公司将如何提高固态硬盘的性能，同时降低单个 TB 的成本。
性能提升，成本降低
据介绍，SK海力士第 8 代 3D NAND 堆叠超过 300 层，容量为 1Tb（128GB），具有 20Gb/mm² 单位容量、16KB 单页容量（page size）、拥有四个 planes，接口传输速率为2400 MT/s。最大数据传输速率将达到 194 MB/s，相较上一代 238 层堆叠和 164 MB/s 传输速率的第七代 3D NAND Flash高出 18%。而在更快的输入和输出速度下，有助于 PCIe 5.0 x4 或更高的接口利用率。
新 NAND 的位密度增加近一倍，意味着将显著提高新制造节点的每晶圆生产率，也将降低 SK 海力士的成本，只是尚不清楚具体程度。
据 SK 海力士研发团队的说法，第 8 代 3D NAND Flash 采用了 5 项崭新的技术。
首先，其拥有三重验证程序(TPGM) 功能可缩小单元阈值电压分布，并将 tPROG （编程时间） 减少 10%，从而转化为更高的性能。
其次，采用 Adaptive Unselected String Pre-Charge (AUSP) 技术，再将 tPROG 降低约 2% 。
第三，APR方案可将读取时间降低约 2%，并缩短字线上升时间。
第四，编程虚拟串 (PDS) 技术可藉由降低通道电容负载来缩短 tPROG 和 tR 的界线稳定时间。
最后，平面级读取重试 (PLRR) 功能，允许在不终止其他平面的情况下，更改平面的读取级别。之后，立即发出后续读取命令，并提高服务质量 (QoS)，从而提高读取性能。
由于 SK 海力士针对新产品还在开发中，因此该公司尚未透露生产最新一代 3D NAND Flash 的量产时间。尽管如此，分析师预计该300层3D NAND Flash将于 2024 年年底或者 2025 年年初上市发售。
存储最大两个分类
存储器是集成电路市场的“大宗商品”，体量巨大，据WSTS统计，2021 年全球存储器市场规模为1538.38亿美元，同比增长30.9%，在全球集成电路市场占比达到33%。从存储器的市场发展趋势来看，尽管呈现出周期波动的特征，但总体增长趋势明显。
总体来看，应用范围最广的存储器主要包括四大类：DRAM，NAND Flash，NOR Flash和EEPROM。按照市场规模划分，可归纳为“两大两小”，其中，“两大”是DRAM和NAND Flash，“两小”是NOR Flash和EEPROM。
据IC Insights统计，2021年全球存储芯片市场中，DRAM占比达56%，NAND Flash占比约为41%，NOR Flash占比约为2%，EEPROM占比与NOR Flash属于同一量级，明显低于DRAM和NAND Flash。
DRAM结构简单、存储容量大，广泛应用于计算机内存，是市场规模最大的存储芯片。SDRAM是同步DRAM，能够与CPU系统时钟同步，是DRAM的主流。目前，DDR4 SDRAM占据了主流市场，相比DDR3，DDR4能将性能和带宽提升50%，同时降低功耗。DDR5也在市场拓展过程当中，其最高内存传输速率可达6.4Gbps，比DDR4性能更强、功耗更低，具有很好的发展潜力。此外，LPDDR以低功耗为特色，在智能手机等移动终端上广泛应用。
NAND Flash适用于大容量数据的存储（通常为1Gb-1Tb），且能够实现快速读写和擦除。NAND Flash在大容量下具有成本优势，是大容量非易失存储的主流技术方案，广泛应用于通信设备、消费电子、汽车电子等领域。
与DRAM类似，智能手机和PC是NAND Flash的主要应用市场，数据中心和汽车电子需求在不断提升。
全球NAND Flash市场由三星电子、铠侠、西部数据、美光、SK海力士主导，其中，三星市占率最高，达到34%。
工艺方面，传统NAND Flash是2D结构的，近些年，3D结构兴起，且大量蚕食2D NAND市场，3D NAND通过多层垂直堆叠技术，既能够提高单位面积存储密度，又能改善存储单元性能，且成本可控。三星电子于2013年率先开发出24层3D NAND，2020年，176层3D NAND问世，2022年，美光宣布232层3D NAND实现量产，成为全球首款突破 200层的NAND Flash芯片。
DRAM工艺将重构存储格局
数十年来，摩尔定律一直是业界崇尚的黄金法则，也一直是半导体性能和成本的驱动因素。早前的DRAM可以满足业界需求，但随着摩尔定律推进速度放缓，DRAM工艺也步入了技术瓶颈期。
从技术进度上看，目前DRAM芯片工艺已经突破到了10nm级别。2022年11月中旬，美光已实现1β DRAM（第五代10nm级别DRAM）量产，据悉，该公司正在对下一代1γ（gamma）工艺进行初步的研发设计。而三星的技术路线图预计，2023年进入1b nm（第五代10nm级别DRAM）工艺阶段。针对DRAM芯片，随着晶体管尺寸越来越小，芯片上集中的晶体管就越多，这意味着一片芯片能实现更高的内存容量。
虽然10nm还不是DRAM的最后极限，但多年来DRAM的扩展速度明显放缓，新的DRAM节点也只是缩小一小部分，3D DRAM顺势成为了存储厂商迫切想突破DRAM工艺更高极限的新路径。
DRAM工艺突破放缓的原因主要在于存储单元的简洁结构——由一个用于存储电荷的电容器和一个用于访问电容器的晶体管组成。业界的思路也就是颠覆这种结构，并辅以特殊的材料，从而走向创新。
便于增强我们理解这种创新方式的，便是能与DRAM相媲美的存储器技术NAND Flash，后者早已抵达3D世界，并且如今还跨至4D空间。
当前对于克服DRAM物理局限性有着一定的紧迫性。此前，业界一直在尝试减小电路线宽，来提高DRAM芯片的密度。通常来说，线宽越小，晶体管越多，集成度越高，功耗越低，速度越快。
此方法的确是达到了效果，但随着线宽进入10nm范围，电容器漏电和干扰等物理限制的问题却明显增加。为了补救这种情况，业界还引入了high-k材料和极紫外（EUV）设备等新材料和新设备。但显然，在制造10nm或更先进的小型芯片中，现有的这些技术让芯片制造商显得心有余而力不足。
在大环境需求和供给的冲突逼迫下，让DRAM平面2D升至3D逐渐成为了业界追求技术突破的共识。
所谓3D DRAM，其实是一种将存储单元（Cell）堆叠至逻辑单元上方的新型存储方式，从而可以在单位晶圆面积上实现更高的容量。
针对3D DRAM的构想，BeSang公司曾经向外公布了3D Super-DRAM技术方案。据官网介绍，平面DRAM是内存单元数组与内存逻辑电路分占两侧，3D DRAM则是将内存单元数组堆栈在内存逻辑电路的上方，因此裸晶尺寸会变得比较小，每片晶圆的裸晶产出量也会更多。
而平面DRAM的工艺微缩会越来越困难，其中的关键要素是储存电容的高深宽比。通常来说，储存电容的高深宽比会随着组件工艺微缩而呈现倍数增加。所以从原理上看，3D DRAM可以有效解决平面DRAM当前的困境。
而令业界关心的成本问题，3D DRAM使用的3D堆栈技术将实现可重复使用储存电容，可有效降低单位成本。未来，DRAM从传统2D发展至3D立体，将是大势所趋，这对于存储器市场来说，也将迎来一种拥有全新结构的存储芯片。
车载存储将成为重要市场
随着自动驾驶等级的提升，以及车载信息娱乐系统(IVI)、多摄像头视觉处理、长寿命电池和超高速5G网络的引入，车内车外数据流量大大提升，超大计算处理成为必需品，相应地大容量数据缓存(DRAM、SRAM)、存储(NAND)和其他存储(NOR Flash、EEPROM等)需求大幅增长。
据统计，2020年全球车载存储市场规模约46亿美元，在整体存储市场占比不足5%，但成长速度较高，2016-2020年复合增速为11.4%，预计随着汽车智能化水平的提升，车载存储市场提速增长，主要体现在DRAM(尤其是新能源车用的 LPDDR)、NAND等需求高速增长，2021年车载存储市场将达到56.6亿美元，2025年增长至119.4亿美元，2021-2025年复合增速为21.0%。从结构看，车载存储市场以DRAM和NAND为主，占比分别为57%和23%，其他小类的存储芯片如NOR Flash、SRAM和EPROM/EEPROM也在车内有广泛应用。不难预测，伴随汽车智能化驱动数据存储需求增加，车载存储市场有望提速增长。
此外，随着自动驾驶等级提升，用于收集车辆运行和周边环境数据的各类传感器将会越来越多，包括摄像头、毫米波雷达、激光雷达等，OTA(空中下载技术)、V2X(vehicle-to-everything)等网络通信功能也将产生大量数据。英特尔估计自动驾驶汽车每天将产生4000GB的数据量。即使低等级自动驾驶的车辆也需要大量车载数据存储。因为座舱IVI系统正逐步搭配更多大尺寸、高分辨率屏幕。根据中国闪存市场预测，L4、L5的汽车将配备40GB 以上的DRAM和3TB以上的NAND Flash，该配置远高于当前的智能手机。目前来看，单车DRAM和NAND Flash容量有着巨大的提升空间。
从国内市场状况来看，国内存储芯片需求庞大，市场规模超全球的1/3，但自给率不足5%。根据IDC数据，中国半导体市场规模占全球份额从2005年的12.2%增至2020年的36.6%，跃居全球第一。2020年中国市场中，存储芯片(包括DRAM和NAND)市场规模为429亿美元，占中国半导体市场规模的30%，占全球存储芯片市场规模的35%。
纵观日本、韩国存储芯片产业的崛起历程，产业大背景、新兴产业需求和政策扶持是存储产业发展的必要条件。当前，全球半导体产业向中国转移，中国大陆也已经建立了完善全面的电子系统产业链体系。除去PC、手机等传统消费电子场景，物联网、AI、智能车、云计算等众多新兴市场也在兴起。因此，庞大内需及新兴应用已为国产存储芯片厂商提供了发展基础，而政策扶持下的供应链国产化可为其提供助力。
来源：贤集网
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