2020年 04月 16日 星期四
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中国打破闪存芯片技术瓶颈成功攻克最先进的1

来源:未知     作者:威廉希尔     发布时间:2020-04-16 16:26         

  芯片分为存储芯片和非存储芯片,其中存储芯片的种类很多,按用途可分为主存储芯片和辅助存储芯片。前者又称内存储芯片(内存),可以与CPU直接交换数据,速度快、容量小、价格高。后者为外存储芯片(外存),指除内存及缓存以外的储存芯片。此类储存芯片一般断电后仍然能保存数据,速度慢、容量大、价格低。

  存储芯片中最为重要的要属DRAM(内存)和NAND flash(闪存),2018年,中国进口了3120亿美元的芯片(为中国进口金额最高的物品超过石油),其中存储芯片占集成电进口金额的39%,达到1230.6亿美元。这1230.6亿美元的存储芯片中,高达97%的是DRAM和FLASH。如今闪存技术已经发展26年,被美日韩三国的三星、东芝、美光、海力士、英特尔五家企业垄断。

  这些企业掌握了内存和闪存的定价权,随意价格,2010年的时候,三星等企业非法闪存价格更是欧美高价罚款。目前,主流的闪存技术是3D NADA,3D NAND是一种新兴的闪存类型,通过把存储单元堆叠在一起来解决2D或平面NAND闪存带来的。普通的NAND是平房,那么3D NAND就是高楼大厦,建筑面积一下子变多了,理论上来讲可以无限堆叠。

  层数的增加也就意味着对工艺、材料的要求会提高。而且在堆叠层数增加的时候,存储堆栈的高度也在增大,然而每层的厚度却在缩小。每升级一次堆栈厚度都会变成原来的1.8倍,而层厚度会变成原来的0.86倍。在2016年前,中国在存储芯片市场为0,所以极易被国外卡脖子。这个时候,紫光集团成立了长江存储,来攻克闪存技术。

  从2016年开始努力,到2017年11月,紫光集团花费了10亿美元,整整1000人的研发团队花费2年时间研发成功首款国产32层3D NAND存储芯片。这标志着中国存储芯片实现了0的起步。2019年5月,紫光成功研发了64层堆栈闪存芯片,与三星的96层堆栈只有1代的差距,要知道,2018年64层堆栈3D NAND闪存才大规模量产。

  三星、东芝等闪存大厂按照产品规划,在2020年将量产128层堆栈闪存,紫光却跳过了96层的研发,直接攻关128层闪存。2020年4月13日,长江存储科技有限责任公司宣布其128层QLC 3D NAND 闪存(型号:X2-6070)研发成功,并已在多家控制器厂商SSD等终端存储产品上通过验证,领先了三星等企业。

  长江存储X2-6070是业内首款128层QLC规格的3D NAND闪存,拥有业内已知型号产品中最高单位面积存储密度,最高I/O传输速度和最高单颗NAND 闪存芯片容量。此次同时发布的还有128层512Gb TLC(3 bit/cell)规格闪存芯片(型号:X2-9060),单颗容量512Gb(64GB),以满足不同应用场景的需求。

  根据Techinsihts的3D闪存线图及厂商的资料,三星的110+层(有128、136不同水平的)3D闪存核心容量可以做到QLC 1Tb,美光的128层、SK海力士的128层、Intel的144层QLC闪存也是1Tb核心容量,东芝/西数的112层BiCS 5技术的闪存堆栈可以做到QLC 1.33Tb容量,是此前已知最高的。从容量上来说,长江存储的X2-6070 QLC闪存与东芝/西数同级,比其他家的要高出33%。

  除了容量之外,还要看性能,IO速度上X2-6070是1600Mbps,而三星的128层闪存速度是1200Mbps,西数、东芝的也是1200Mbps,其他家的IO速度没有确切数据,估计也在1200Mbps左右。所以在IO性能上,长江存储的X2-6070闪存也是第一,这点比其他厂商是要领先的,从技术指标上来说,长江存储的X2-6070闪存是国产闪存首次进入第一梯队,而且同时在容量、密度及性能上领先,意义重大。

  这也是中国首次在闪存规格上超过三星等内存大厂,标志着中国打破了美日韩在闪存市场上的定价权。自所以紫光在闪存规格上可以和其他闪存大厂处于同一梯队,是因为紫光还自研了Xtacking结构的3D NAND闪存技术,该技术将为3D NAND闪存带来前所未有的I/O高性能,更高的存储密度,以及更短的产品上市周期。

  采用Xtacking,可在一片晶圆上加工负责数据I/O及记忆单元操作的外围电。这样的加工方式有利于选择合适的先进逻辑工艺,以让NAND获取更高的I/O接口速度及更多的操作功能。存储单元同样也将在另一片晶圆上被加工。当两片晶圆各自完工后,创新的Xtacking技术只需一个处理步骤就可通过数百万根金属VIA(Vertical Interconnect Accesses,垂直互联通道)将二者键合接通电,而且只增加了有限的成本。

  2019年,长江存储再次升级了Xtacking技术,发布了Xtacking2.0,将进一步提升进一步提升NAND吞吐速率、提升系统级存储的综合性能。当然了,虽然我们打破了美日韩在芯片市场的定价权,但是紫光还需要提高产能才能实现自给自足,紫光的量产64层堆栈3D闪存,容量256Gb,TLC芯片,到2020年底,产能每月也才6万片,与全球闪存芯片每月产能约为130万片晶圆相比,今年内国产闪存的产能占比不过3%而已。

  三星、东芝、美光等公司今年在128层级别的3D闪存上,生产进度及产能上依然是领先的,目前,紫光要在2021年才能彻底赶上其他闪存大厂的产能,希望到时候国内企业可以支持我们自己研发的闪存芯片。另外,紫光目前也在攻关内存芯片,除了紫光,合肥长鑫也在攻关内存芯片,合肥长鑫为了减少美国制裁,它们重新设计了DRAM芯片,以尽量减少对美国原产技术的使用。

  随着紫光集团和合肥长鑫的双拳齐出,中国在也不需要在存储芯片领域看的眼色了。在半导体领域,中慢慢发展,从而构建属于我们的半导体生态。

      威廉希尔