摘得NAND层数桂冠，美光科技的底气在哪里？

集成电路时代，巨头厂商纷纷将焦点瞄准更高维度的3D，进行“升维打击”。NAND闪存亦如此，2D NAND平面工艺正伴随摩尔定律放缓而逐渐转向3D NAND的三维层面。

当2D变为3D，检验NAND闪存是否先进的条件，便顺理成章地变为堆栈层数的提升。这类似机械硬盘增加碟数来提高容量密度的做法，通过增加层数NAND闪存的密度和容量获得了提高、单位成本降低。

那么现在世界上最先进的工艺达到了多少层？日前，Micron（美光科技，下文简称“美光”）出货了首款176层NAND闪存，一举刷新了行业记录，这也是美光科技第五代的3D NAND技术。21ic中国电子网特邀美光科技揭秘新突破背后的故事。

颠覆行业的性能升级

从消费者和设计者来看，NAND闪存的终极意义必然是实打实的性能全面升级，任何华丽辞藻都不如参数的全面增长来的实际。

实际上，对比美光前两代产品和同类竞品，176层NAND拥有无与伦比的性能飞跃。“30%、35%、33%”，美光科技NAND组件产品线高级经理Kevin Kilbuck将176层的优势总结为这几个数字。

30%：“176层NAND的紧凑型设计的裸片尺寸比同类最好的竞争产品小30%左右，”Kevin Kilbuck介绍，汽车、工业、消费类和移动等领域的应用，需要使用microSD、球栅阵列SSD、eMMC、通用闪存以及多芯片封装外形尺寸较小的封装形式，而176层NAND是这类空间受限应用的理想选择。

35%：“176层NAND与美光96层大容量浮动栅极NAND相比读取和写入延迟降低了35%以上，与美光128层替换栅极NAND相比降低了25%以上”，Kevin Kilbuck表示，层数的进展显著提高了应用性能。记者认为，读写速度是NAND闪存对消费者感官影响最大的参数，也是反映NAND闪存性能的最大凭证，行业飞速发展引发的数据爆炸式增长只有快速调用和记录才能发挥真正的作用。

33%：“176层NAND最大数据传输速率高达1600MT/s，美光前两代的96层和128层NAND产品为1200MT/s，相比之下提高了33%”，Kevin Kilbuck强调，更快的ONFI 速度意味着系统启动更迅速、应用程序性能更出众。在汽车应用中，这种速度让车载系统在发动机启动后近乎即时响应，从而为用户带来更好的体验。业界领先的数据传输速率可支持实现非常稳定的高速吞吐量，并支持对数据的即时访问，这有利于速度对业务至关重要的电子商务、金融服务和工业等应用。对于最终客户，这保证了对数据进行深度分析时不会遇到瓶颈。

围绕行业的创新设计

除了性能参数上的表现，根据KevinKilbuck的介绍，美光的176层NAND闪存技术潜藏诸多颇具行业实用性的创新设计，使产品能够紧扣行业趋势、提高产品耐用性、加快方案上市。

紧扣行业趋势：美光176层NAND提高了服务质量（QoS），这是数据中心SSD的关键设计标准。这有利于数据湖、人工智能（AI）引擎和大数据分析等数据密集型环境和工作负载。对于5G智能手机，更高的QoS可支持实现在多个应用之间更快的启动和切换，创造更无缝、响应更快的移动体验，实现真正的多任务处理，充分发挥5G网络低延迟的优势。

提高产品耐用性：美光的先进技术提高了产品耐用性，这将使各种写入密集型应用特别受益，如航空航天领域的黑匣子以及视频监视录像等。在移动设备存储中，176层NAND的替换栅极架构进一步提高了混合工作负载的性能，从而可支持超快速边缘计算、增强型人工智能推理以及图像显示细腻的实时多人游戏等应用。

加快方案上市：为了简化固件开发，美光的176层NAND提供了一种单流程（single-pass）编程算法，使集成更为便捷，从而加快方案上市时间。

从技术层面来说，美光科技的176层NAND是通过双堆栈技术(Double Stacking)实现的，Kevin Kilbuck对此为记者介绍表示，176层NAND作为美光的第四代层堆叠技术的代表，充分展示了这种方法的可行性和可发展性。

“双堆叠方法使我们能够更快地扩展3D NAND产品系列在相同层数的情况下，双堆叠可逐步改进处理能力，能够比单堆叠更早地投放市场。相比具有相同层数的单堆叠方案，这一优势意味着美光能够在产品中更快地部署更多的层数。”，Kevin Kilbuck如是说。

Kevin Kilbuck，美光科技NAND组件产品线高级经理

困难重重背后的底气是什么

“我们的176层NAND的突破及其架构上巨大进步的重要意义在于，它为我们继续扩展3D NAND奠定了坚实的基础”，美光科技工艺集成技术开发高级总监Kunal Parekh骄傲地这样为记者介绍。

但实际上，层数节点的突破并非易事，Kunal Parekh为记者透露，美光致力于越来越好的性能，因此每个工艺节上的突破都比上一个节点更难。“虽然每一代工艺都有新的约束和限制，但我们才华横溢的工程师和研究人员克服了这些问题。”

Kunal Parekh为记者举了一个例子，从双阵列堆叠中的两个64层阵列发展到两个88层阵列，必须克服这种扩展带来的多项挑战，才能进一步提高位密度，同时提升性能。增加层数会使结构更高，这样在占用面积不变的情况下才能产生更多的比特，但与之同时带来了必须要克服的工艺挑战，我们团队通过出色的工作克服了这些挑战。

“增加层数还要求在阵列下放置更多的电路，这意味着我们还需要以有效的方式将所有这些电路穿过阵列，连接到相应的NAND存储串。这就要求在我们选择的阵列架构中必须掌握更高的深宽比蚀刻和替换栅极格式”，KunalParekh补充说道。

美光率先推出176层NAND依靠的是什么优势？美光究竟拥有哪种“底气”取得行业最领先技术？

“我们的创新覆盖从实验室到晶圆厂整个过程，凭借独特的CMOS阵列下架构实现了业界领先的3D NAND单元尺寸。我们还率先开发了阵列堆叠技术，并聚焦于实现向替换栅极架构的过渡。此外，在3D NAND制造方面的投资使得我们能够在新加坡一地即可进行产品工程、技术开发、制造和质量功能质检等工作。我们在那里NAND卓越中心正在加速推进 3D NAND技术的创新，并将继续扩大规模。这些还只是我们实现这一业界领先突破的部分关键优势”，Kunal Parekh如此解答记者。

据悉，美光自16年前便进入NAND市场，并一直是NAND技术领域的创新者，涉及从硅片到系统的各个领域包括设计电路、光掩膜技术、工艺技术和封装技术等。美光的研发团队一直在努力研究怎样帮助客户驾驭呈指数级增长的海量数据，美光的科学家和工程师正在挑战物理规则极限，创造出以令人兴奋的新方式来存储和转换数据的设备。

此外，美光还拥有世界上最先进的智能工厂。此前，世界经济论坛将美光新加坡和中国台湾工厂加入其Global Lighthouse Network（全球灯塔工厂网络）麾下，该网络包括很多第四次工业革命中发挥领导技术作用的领先制造商。

Kunal Parekh，美光科技工艺集成技术开发高级总监

展望NAND市场的未来

毋庸置疑，3D NAND产品的面世为行业降低了成本，创造了巨大的价值。美光的176层NAND同样具有很大的里程碑意义。

回望过去，176层这一数值已是3D NAND早期层数的近10倍，10倍的密度意味着智能手机和固态硬盘能够处理更多的工作、存储更多的内容、让更多的人买得起、更好地改善人们的日常生活。

Kevin Kilbuck强调，这将使更多的应用能够采用NAND闪存，并取代HDD等其他传统存储介质。

据Kevin Kilbuck透露，目前美光正在将176层引入其TLC产品中，同时美光将保持对未来QLC产品投资的评估。

最后，Kunal Parekh告诉记者美光的下一步计划。“美光NAND团队一直在推动创新，在NAND内存中实现更多的层数，从而进一步扩大数据密度。此外，我们的工程团队致力于通过改进CMOS、内存器件以及CMOS和内存架构来不断提高产品和系统级性能。我们还在NAND组件和封装集成、内存管理、固件和软件等方面不断寻求创新机会。”