3年攻關,中國打破美日韓快閃記憶體晶片定價權,攻克最先進128層快閃記憶體

胖福的小木屋 發佈 2020-04-13T04:17:00+00:00

目前,主流的快閃記憶體技術是3DNADA,3D NAND是一種新興的快閃記憶體類型,通過把存儲單元堆疊在一起來解決2D或平面NAND快閃記憶體帶來的限制。

晶片分為存儲晶片和非存儲晶片,其中存儲晶片的種類很多,按用途可分為主存儲晶片和輔助存儲晶片。前者又稱內存儲晶片(內存),可以與CPU直接交換數據,速度快、容量小、價格高。後者為外存儲晶片(外存),指除內存及緩存以外的儲存晶片。此類儲存晶片一般斷電後仍然能保存數據,速度慢、容量大、價格低。



存儲晶片中最為重要的要屬DRAM(內存)和NAND flash(快閃記憶體),2018年,中國進口了3120億美元的晶片(為中國進口金額最高的物品超過石油),其中存儲晶片占集成電路進口金額的39%,達到1230.6億美元。這1230.6億美元的存儲晶片中,高達97%的是DRAM和FLASH。

1968年,登納德則在經過長時間研究後,終於發明了可存儲少許數據、基於單電晶體設計的存儲單元。此後,內存晶片的壟斷從美國到日本再到如今的韓國,三星、美光以及海力士總共占據全球DRAM晶片市場份額的96% 。

而1984年東芝的舛岡富士雄首先提出了快速快閃記憶體存儲器ULSI的概念,然而東芝並沒有重視,英特爾先行將其發展起來。舛岡富士雄並不服氣,在1987年又提出NAND的概念,並且和10位各具特色的同事共同研發,僅3年時間就獲得成功。


如今快閃記憶體技術已經發展26年,被美日韓三國的三星、東芝、美光、海力士、英特爾五家企業壟斷。

這些企業掌握了內存和快閃記憶體的定價權,隨意操縱價格,2010年的時候,三星等企業非法操縱快閃記憶體價格更是遭遇歐美高價罰款。

目前,主流的快閃記憶體技術是3D NADA,3D NAND是一種新興的快閃記憶體類型,通過把存儲單元堆疊在一起來解決2D或平面NAND快閃記憶體帶來的限制。



普通的NAND是平房,那麼3D NAND就是高樓大廈,建築面積一下子變多了,理論上來講可以無限堆疊。

層數的增加也就意味著對工藝、材料的要求會提高。而且在堆疊層數增加的時候,存儲堆棧的高度也在增大,然而每層的厚度卻在縮小。

每升級一次堆棧厚度都會變成原來的1.8倍,而層厚度會變成原來的0.86倍。

在2016年前,中國在存儲晶片市場為0,所以極易被國外卡脖子。這個時候,紫光集團成立了長江存儲,來攻克快閃記憶體技術。



從2016年開始努力,到2017年11月,紫光集團花費了10億美元,整整1000人的研發團隊花費2年時間研發成功首款國產32層3D NAND存儲晶片。這標誌著中國存儲晶片實現了0的起步。

2019年5月,紫光成功研發了64層堆棧快閃記憶體晶片,與三星的96層堆棧只有1代的差距,要知道,2018年64層堆棧3D NAND快閃記憶體才大規模量產。

三星、東芝等快閃記憶體大廠按照產品規劃,在2020年將量產128層堆棧快閃記憶體,紫光卻跳過了96層的研發,直接攻關128層快閃記憶體。

2020年4月13日,長江存儲科技有限責任公司宣布其128層QLC 3D NAND 快閃記憶體(型號:X2-6070)研發成功,並已在多家控制器廠商SSD等終端存儲產品上通過驗證,領先了三星等企業。

長江存儲X2-6070是業內首款128層QLC規格的3D NAND快閃記憶體,擁有業內已知型號產品中最高單位面積存儲密度,最高I/O傳輸速度和最高單顆NAND 快閃記憶體晶片容量。



此次同時發布的還有128層512Gb TLC(3 bit/cell)規格快閃記憶體晶片(型號:X2-9060),單顆容量512Gb(64GB),以滿足不同應用場景的需求。

根據Techinsihts的3D快閃記憶體路線圖及廠商的資料,三星的110+層(有128、136不同水平的)3D快閃記憶體核心容量可以做到QLC 1Tb,美光的128層、SK海力士的128層、Intel的144層QLC快閃記憶體也是1Tb核心容量,東芝/西數的112層BiCS 5技術的快閃記憶體堆棧可以做到QLC 1.33Tb容量,是此前已知最高的。

從容量上來說,長江存儲的X2-6070 QLC快閃記憶體與東芝/西數同級,比其他家的要高出33%。

除了容量之外,還要看性能,IO速度上X2-6070是1600Mbps,而三星的128層快閃記憶體速度是1200Mbps,西數、東芝的也是1200Mbps,其他家的IO速度沒有確切數據,估計也在1200Mbps左右。



所以在IO性能上,長江存儲的X2-6070快閃記憶體也是第一,這點比其他廠商是要領先的,從技術指標上來說,長江存儲的X2-6070快閃記憶體是國產快閃記憶體首次進入第一梯隊,而且同時在容量、密度及性能上領先,意義重大。

這也是中國首次在快閃記憶體規格上超過三星等內存大廠,標誌著中國打破了美日韓在快閃記憶體市場上的定價權。

自所以紫光在快閃記憶體規格上可以和其他快閃記憶體大廠處於同一梯隊,是因為紫光還自研了Xtacking結構的3D NAND快閃記憶體技術該技術將為3D NAND快閃記憶體帶來前所未有的I/O高性能,更高的存儲密度,以及更短的產品上市周期。

採用Xtacking,可在一片晶圓上獨立加工負責數據I/O及記憶單元操作的外圍電路。這樣的加工方式有利於選擇合適的先進邏輯工藝,以讓NAND獲取更高的I/O接口速度及更多的操作功能。存儲單元同樣也將在另一片晶圓上被獨立加工。當兩片晶圓各自完工後,創新的Xtacking技術只需一個處理步驟就可通過數百萬根金屬VIA(Vertical Interconnect Accesses,垂直互聯通道)將二者鍵合接通電路,而且只增加了有限的成本。

2019年,長江存儲再次升級了Xtacking技術,發布了Xtacking2.0,將進一步提升進一步提升NAND吞吐速率、提升系統級存儲的綜合性能。

當然了,雖然我們打破了美日韓在晶片市場的定價權,但是紫光還需要提高產能才能實現自給自足,紫光的量產64層堆棧3D快閃記憶體,容量256Gb,TLC晶片,到2020年底,產能每月也才6萬片,與全球快閃記憶體晶片每月產能約為130萬片晶圓相比,今年內國產快閃記憶體的產能占比不過3%而已。

三星、東芝、美光等公司今年在128層級別的3D快閃記憶體上,生產進度及產能上依然是領先的,

目前,紫光要在2021年才能徹底趕上其他快閃記憶體大廠的產能,希望到時候國內企業可以支持我們自己研發的快閃記憶體晶片。

另外,紫光目前也在攻關內存晶片,除了紫光,合肥長鑫也在攻關內存晶片,合肥長鑫為了減少美國制裁威脅,它們重新設計了DRAM晶片,以儘量減少對美國原產技術的使用。

隨著紫光集團和合肥長鑫的雙拳齊出,中國在也不需要在存儲晶片領域看西方的眼色了。在半導體領域,中國會慢慢發展,從而構建屬於我們的半導體生態。

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