SK海力士成功研發128層4D NAND閃存

周斌

6月26日，SK海力士宣布已成功開發世界上第一款“128層1Tb的4D NAND閃存”，即將投入量產。該技術的突破為 SK 海力士未來在企業級固態硬盤（SSD）、5G移動通信智能手機市場競爭提供了保障，能夠及時為客戶提供多種解決方案。我國在存儲芯片領域尚處于起步階段，NAND技術落后全球先進水平兩代左右，未來還有較長路需要追趕。

背景

4D NAND是對3D NAND技術的優化升級，但未將NAND納入新的維度。3D NAND技術由英特爾和美光提出，將 NAND閃存的技術思路從一味提升制程工藝轉移到更多堆疊層數，解決了NAND閃存隨著制程工藝升級導致可靠性和性能下降的問題。3D NAND閃存由陣列和外圍電路兩個主要組件組成，陣列垂直堆疊用于存儲數據，而外圍電路排列在單元邊緣。隨著 NAND層數的增加，外圍電路將消耗大量芯片空間，增加芯片設計復雜性與尺寸大小，導致成本上升。2018年，SK 海力士提出了新一代的立體堆疊閃存方案“4D NAND”，通過PUC（Periphery Under Cell）設計，將外圍電路放置在陣列之下而不是圍繞陣列，以提升存儲密度降低整體成本。4D閃存芯片的面積相較于3D產品減小了20%、讀速提升30%、寫速提升 25%，但從技術本質上看，SK海力士的4D NAND技術并未像2D到3D那樣將NAND納入新的維度，將其稱為4D NAND更像是一次市場營銷。

128層NAND為業界最高堆棧數。自3D NAND技術問世以來，各大存儲廠商NAND產品的主要技術路線之一是提高堆棧層數，目前主流產商均在推進96層3D NAND產品的市場化。此次SK海力士推出128層NAND，將存儲密度提升至業界最高水平，單個存儲器NAND顆粒達到3600億以上，產品容量達到1Tb，達到96層NAND容量（512Gb）的兩倍。從生產效率上看，128層產品較96層產品增加 32層，但在制程手續上卻減少了5%，且前者單硅片位元生產率較后者高四成，即使不加入新的生產技術，128層NAND的位元生產率仍然能提高15%以上。

5G時代漸近，對存儲器提出更高要求。進入5G時代，不論是移動設備還是數據中心均需要速度更快、容量更大的存儲產品。從已發布的5G手機來看，8GB﹢256GB是初代5G手機的標配，是4G手機配置的兩倍。此外，華為在其首款5G手機Mate20 X 5G中配置了兩塊運行內存芯片，除一塊美光 LPDDR4 8GB內存芯片外，專設一塊三星LPDDR4X 3GB內存芯片供 5G 基帶芯片巴龍5000巴龍5000使用。與美光的LPDDR4相比，三星LPDDR4X在提供相同數據傳輸速度的同時，能夠加快多任務處理速度，且在功耗上降低了17%。未來，5G 基帶芯片配獨立的低功耗高速內存將成為趨勢，對存儲的需求將呈指數增長。

案例介紹

事件簡述。6月26日，SK海力士宣布已成功開發世界上第一款“128層1Tb的TLC4D NAND閃存”，即將投入量產。SK海力士通過在現有 96層NAND的基礎上又增加了32層，使制造所需的工藝總數減少了5%，1Tb產品所需的NAND數量將減少一半。值得注意的是，此款產品距離公司在去年10月開發出96層4D NAND閃存芯片僅過了8個月時間。

后續發展。SK海力士計劃從今年下半年開始正式開售128層4D閃存芯片，并接連推出各種產品解決方案。尤其是SK海力士計劃積極對云數據中心使用的企業級固態硬盤、需要大容量存儲芯片的5G移動通信智能手機市場展開攻略，布局未來市場。海力士相關人員表示，憑借這款128層4D NAND芯片，SK海力士將確保其NAND業務的競爭力，及時為客戶提供多種解決方案。

簡評

我國NAND芯片堆棧層數落后全球先進水平兩代左右，需加快高堆棧NAND的研發。由于NAND Flash的可靠性會隨著制程工藝的提升而降低，因此主流產商均使用14/16納米繼續進行NAND Flash制造，將資源集中到高堆棧的研發已是行業共識。除 SK 海力士實現 128 層 4D NAND 量產外，各大存儲廠商正著力推動96層3D NAND技術的主流化，預計到2020年將廣泛普及。

我國擁有全球領先的閃存方案，應持續推進產品迭代以保持領先優勢。各大存儲生產商在沖擊更高的NAND堆棧層數外，也紛紛提出了新一代閃存方案，SK海力士的“4D NAND”、美光的“CuA”和長江存儲的“Xtracking”是主要代表。其中，長江存儲的Xtracking架構能使存儲單元面積比重從65%提升至90%，在同一堆棧層數下較SK海力士和美光提升的存儲密度更高，是我國在存儲器領域重大技術突破之一。未來，我國在提升NAND層數的同時，需抓住閃存架構上的優勢，加速產品迭代，推動我國存儲器產業跨越式發展。