3D NAND Xtacking - что это за новая архитектура памяти

Наличие собственной полупроводниковой промышленности, которая позволит мало зависеть от западных производителей электронных компонентов – одно из основных направлений развития Китая. В полупроводниковый бизнес вкладываются большие деньги, и это уже приносит свои плоды. Сегодня поговорим о представленной на открывшейся выставке «Flash Memory Summit» технологии производства энергонезависимой памяти китайского производителя Yangtze Memory Technologies Co. (YMTC). Итак, 3D NAND Xtacking - что это, какие особенности и преимущества есть у предлагаемой архитектуры чипов и каковы перспективы.

Что представляет собой Xtacking

Для начала давайте вспомним, что такое 3D NAND. На смену широко использовавшейся еще год-два назад планарной памяти пришли многослойные структуры, в которых ячейки располагаются на n-ом количестве слоев. Типичные значения сейчас – это 64 слоя. Увеличение количества слоев сталкивается с определенными технологическими сложностями, и все же уже объявлен выход 96-слойных чипов, причем с возможностью хранить 4 бита в одной ячейке – QLC.

Что же касается архитектуры таких чипов, то управляющая логика (декодирование адреса, буферы страниц и т. п.) может занимать до 20-30% площади кристалла. При переходе на 128-слойный дизайн и более это значение может доходить до 50%, что, естественно, отнимает место у ячеек памяти и накладывает ограничения на увеличение емкости чипа.

Справедливости ради надо сказать, что от этого недостатка удалось частично избавиться, воспользовавшись технологией CMOS under the Array (CuA), когда вся управляющая логика размещается под ячейками памяти. Потенциально с увеличением слоев могут возникнуть проблемы с температурным режимом. Так, Toshiba располагает слой с управляющей логикой сверху кристалла.

Как бы то ни было, для производства и ячеек памяти, и управляющих структур используется один технологический процесс на единой подложке. И вот тут мы подходим к отличиям, которые есть у архитектуры Xtacking.

Дело в том, что YMTC использует для производства предлагаемой ею 3D NAND памяти не одну, а две подложки. На первой формируются ячейки памяти, на второй – управляющая электроника. Соответственно выполняется это на разных технологических процессах. После этого производится соединение двух кристаллов.

Следует отметить и еще один момент: для соединения частей чипа не используется технология TSV (through silicon vials). Возможно, подробнее об этой технологии формирования соединений мы поговорим в другой раз, а сейчас отметим, что это довольно сложный и недешевый способ соединения частей кристалла.

В Xtacking используется способ соединения двух кристаллов при помощи металлических соединений – VIAs (Vertical Interconnect Accesses), которые формируются одновременно на всей пластине на одном дополнительном технологическом этапе.

И тут проявляется еще один интересный момент. Подобная модульность в изготовлении 3D NAND позволяет, как заявляют разработчики, кастомизировать чипы под конкретные требования, а также сократить время подготовки новых поколений памяти (примерно на 3 месяца) к промышленному производству. Да и изготовление занимает примерно на 20% меньше времени, учитывая параллельное изготовление логической части и непосредственно ячеек памяти на разных пластинах.

Перспективы Xtacking

YMTC образована всего лишь в 2016-м году как дочерняя компания Tsinghua Unigroup, но рассматривается как одна из главных надежд китайской электронной промышленности. Для производства используются мощности китайского же производителя XMC, чьи фабрики, применяющие 300-мм пластины, расположены в городе Ухань (Wǔhàn).

По заявлениям представителей YMTC, использование двух 300-мм пластин вместо одной несущественно увеличивает производственные издержки, при этом позволяя компенсировать их максимизацией плотности кристаллов NAND памяти.

Для производства управляющей логики используется 180-нм технологический процесс. Как и другие производители памяти, YMTC не распространяется по поводу того, какой техпроцесс используется для производства самих чипов 3D NAND. И все же можно предположить, что это техпроцесс, сходный с тем, что применяют и конкуренты, т. е. 40-50 нм, что, по сути, сейчас является стандартом.

Что касается показателей быстродействия, то архитектура Xtacking позволит получить очень высокую скорость операций ввода/вывода при высокой плотности массива памяти. По заявлениям производителя, 64-слойные чипы емкостью 256 Гб показывают скорость в 3 Гб/с. Это весьма внушительный результат, особенно если учесть, что последние чипы Samsung имеют скорость 1.4 Гб/с, а конкуренты достигли результатов в 1 Гб/с.

В прошлом году YMTC анонсировала выход 32-слойных чипов своей NAND памяти, а позже в этом году ожидается появление 48-слойной. И все же на данный момент китайцы на 1-2 поколения отстают от своих основных конкурентов, которые уже активно применяют 64-слойные чипы и на подходе 96-слойные.

Тем не менее, на фоне разразившейся торговой войны между США и Китаем наличие собственного производства NAND памяти – это не только сильный шаг к независимости от западных производителей полупроводников, но и стремление сократить отставание от них в технологическом плане. Тем более что для достижения этих целей китайское правительство денег не жалеет.

Представители YMTC заявляют, что их чипы могут работать с различными контроллерами, но конкретных производителей названо не было. Но 32-слойные чипы уже находятся в планах компании для промышленного использования. 3D память Xtacking должна найти применение в энергонезависимых устройствах хранения в смартфонах, компьютерах, датацентрах. При этом YMTC все же ориентируется на внедрение своих 64-слойных чипов, выход которых ожидается в обозримом будущем, скорее, в следующем году.

Все же было бы интересно увидеть, и не только увидеть, но и «потискать» (если вы понимаете, о чем я) SSD с такой памятью.