SK海力士4D NAND Flash首发，Q4送样

在美国举办的Flash Memory Summit(闪存技术峰会)首日结束后，亮点颇多。

日前据《电子工程专辑》报道，在Keynote环节，长江存储(Yangtze Memory Technology，YMTC)压轴出场，推出了其最新的3D NAND架构Xtacking，I/O接口的速度提升到了3Gbps，堪比DRAM DDR4 的I/O速度，吸引了外界的极大关注。

不过，倒数第二个出场的SK海力士(SK Hynix)带来的黑科技4D NAND无疑更抢眼球，因为它们已经可以在Q4送样了。虽然之前三星、东芝/西部数据、美光/英特尔等已经宣布过96层/QLC新一代技术，但发布产品SK海力士是第一家。

目前SK海力士在NAND市场的全球份额排名第五，DRAM份额全球第二。

选对技术，可以少走弯路

首先是3D NAND的技术路线选择，SK海力士称，CTF(Charge Trap Flash，电荷捕获型)比Floating Gate(浮栅型)存储单元面积更小、速度更快、更耐用(P/E次数多)。

其实三星从2013年的第一代V-NAND 3D闪存就开始使用CTF了，东芝/西数(闪迪)的BiCS亦是如此。目前英特尔和美光是唯一两家采用浮栅技术的闪存制造商。这两家也计划在其新一代闪存进入市场后独立执行闪存开发工作。之后美光会采用自己的取代栅极技术(Replacement Gate)，即简单的Charge Trap Flash技术的品牌重塑。换句话说，英特尔很快就会成为唯一采用浮栅技术的闪存制造商，不过这倒无所谓，毕竟他们有更厉害的3D Xpoint(基于相变内存，还一说是ReRAM磁阻式内存)。

全球首款4D闪存登场

接下来，SK海力士宣布推出了全球首款4D闪存。

从现场给出的技术演示来看，4D闪存和此前长江存储的Xtacking十分相似，只不过SK海力士称其结合了自身CTF设计与Periphery Under Cell(PUC)技术。简单来说，3D闪存由阵列和外围电路两个主要组件组成。与传统3D NAND相同，SK海力士的阵列是垂直堆叠的层用于存储数据，而外围电路排列在单元边缘。由电路控制阵列，但随着NAND层的增加，它就会消耗芯片空间，增加复杂性与尺寸大小，由此增加产品的最终成本。

为了解决这一问题，SK海力士的4D NAND采用了PUC设计，将外围电路放置在阵列之下而不是围绕，来提高存储密度，同时降低成本。然而，这与英特尔和美光首次推出第一代3D闪存设计相同，那边称之为“CMOS under Array”(CuA)。并且，三星也已经宣布其将来会转向CuA型设计，因此这绝不能算是新技术了。

参数方面，号称业内第一款4D闪存是V5 512Gb TLC，采用96层堆叠、I/O接口速度1.2Gbps(ONFi 4.1标准)、面积13平方毫米，今年第四季度出样。

BGA封装的可以做到1Tb(128GB)，模组最大2TB，塞到2.5寸的U.2中更是可以做到64TB，2019年上半年出样。

此外，SK海力士还将基于V5 4D NAND技术推出QLC，也是采用96层堆叠，单Die容量1Tb，目的在于取代HDD，预计将在2019年下半年送样。

与采用72层堆叠的V4 3D TLC相比，采用96层堆叠的4D NAND面积减小30%、读速提升25%、写速提升30%，此外带宽和功率提升150%，产能提升20%。

SK海力士目前已经开始进行128层堆叠V6 4D闪存的研发，接下来将提高到2xx层,未来可达到500层堆叠。目前，SK海力士的3D NAND是72层堆叠，单die最大512Gb(64GB)，96层QLC NAND的单颗die容量提高到1Tb，4D NAND技术的持续发展推动容量的不断升级，未来10年内可望出现10TB的BGA SSD。

SK海力士首款自有品牌企业级产品PE4010 NVMe SSD已于今年6月份出货给微软Azure服务器。2018年Q2这款产品也通过了腾讯的首次验证。

揭秘长江存储的3D NAND新架构

长江存储称，数据产生的能力和贮存能力的增长是严重不对等的，2020年左右将产生47ZB(泽字节，470万亿亿比特)，2025会是162ZB。虽然多数数据可能是垃圾，但存储公司没有选择性，其唯一目标就是尽可能多地保存下来。

长江存储将NAND闪存的三大挑战划归为I/O接口速度、容量密度和上市时机，此次的Xtacking首要是提高I/O接口速度，且顺带保证了3D NAND多层堆叠可达到更高容量以及减少上市周期。

当前，NAND闪存主要沿用两种I/O接口标准，分别是Intel/索尼/SK海力士/群联/西数/美光主推的ONFi，去年12月发布的最新ONFi 4.1规范中，I/O接口速度最大1200MT/s(1.2Gbps)。

第二种标准是三星/东芝主推的Toggle DDR，I/O速度最高1.4Gbps。不过，大多数NAND供应商仅能供应1.0 Gbps或更低的I/O速度。

此次Xtacking技术与SK海力士的4D NAND其实有相似之处，只不过Xtacking技术是将外围电路置于存储单元之上，从而实现比传统3D NAND更高的存储密度。它是如何实现将I/O接口的速度提升到3Gbps，与DRAM DDR4 I/O速度相当的呢?

据长江存储CEO杨士宁博士介绍，Xtacking，可在一片晶圆上独立加工负责数据I/O及记忆单元操作的外围电路。存储单元同样也将在另一片晶圆上被独立加工。当两片晶圆各自完工后，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)将二者键合接通电路，而且只增加了有限的成本。

官方称，传统3D NAND架构中，外围电路约占芯片面积的20~30%，降低了芯片的存储密度。随着3D NAND技术堆叠到128层甚至更高，外围电路可能会占到芯片整体面积的50%以上。Xtacking技术将外围电路置于存储单元之上，从而实现比传统3D NAND更高的存储密度(长江存储的64层密度仅比竞品96层低10~20%)。

在NAND获取到更高的I/O接口速度及更多的操作功能的同时，产品开发时间可缩短三个月，生产周期可缩短20%，从而大幅缩短3D NAND产品的上市时间。

长江存储称，已成功将Xtacking技术应用于其第二代3D NAND产品的开发。该产品预计于2019年进入量产，现场给出的最高工艺节点是14nm。