全球首款超过200层固态存储芯片问世：密度提升43%，性能翻倍

机器之心报道

编辑：泽南、蛋酱

美光带来了业界最高固态存储密度，单个 NAND 芯片封装高达 2 TB 数据。

存储芯片大厂美光（Micron）近日宣布，其 232 层 NAND 闪存芯片已实现量产。这也是全球首款突破 200 层大关的固态存储芯片。

一些竞争对手目前正在提供 176 层技术，有些厂商表示他们正在紧随此步伐，或者已经有了超过 200 层的工程样品。

与竞争对手的芯片相比，全新美光技术将每单位面积存储的比特密度增加了一倍，每平方毫米封装 14.6 Gbit。这一密度相比自家的 176L NAND 提升了约 43%，比竞争对手的 TLC 产品高 35% 到 100%。

更高的密度使美光最终能够生产出自己的第一款 1Tbit TLC 裸片，从产品化的角度来看，这意味着美光现在还可以通过堆叠 16 个 232L 裸片来生产 2TB 芯片封装。这对于 SSD 容量来说是个好消息，高端 SSD 容量通常受到可放置封装数量的限制。

与此同时，美光也在研究其芯片封装的尺寸，因此虽然更大的容量意味着芯片尺寸逐代增加（根据美光的密度数据，估计约为 70.1mm^2），该公司仍然将新一代芯片封装缩小了 28%。因此，单芯片封装从 12mm x 18mm (216mm^2) 缩小到了 11.5mm x 13.5mm (~155mm^2)。对于美光的下游客户来说，这是一个好消息。

美光表示，1 TB 芯片可被放置在 2 TB 的封装中，每个封装的边长都不超过一厘米，可以存储时长大约两周的 4K 视频（340 小时）。

除密度改进之外，最新一代美光 NAND 还提升了数据传输速度。这里最重要的是，美光将其 NAND 裸片内的 plane 数量从 4 个增加到 6 个，进一步提高了每个裸片内可用的并行度。4 plane 设计在上一代 NAND 中变得很普遍，随着 NAND 密度的增长，plane 数量也在增加，以便传输速率跟上更高密度。美光已确认 232L NAND 中的 plane 提供独立读取能力。

这种并行性的提高以及内部传输速率的提高，使美光能够大幅提高其每块芯片的读写速度。该公司称，与 176L 代 NAND 相比，新芯片读取速度提高了 75% 以上，同时写入速度翻了一番。

此外，美光还强调 232 层堆栈的 3D NAND Flash 将比上一代产品功耗更低，使用在低功耗产品上更具节能优势。

据 IDC 报道，2021 年，全球产生了 81 万亿 TB 的数据（或 81 ZB），IDC 预测到 2026 年这个数字将达到 221 ZB，「存储必须创新才能跟上步伐，」美光数据中心存储副总裁 Alvaro Toledo 表示。

将存储芯片升级到 232 层是美光已部署的许多技术的组合和扩展。要理解其中的意义，你需要了解 3D NAND 闪存的基本结构和功能。这些存储芯片本身由底层的 CMOS 逻辑和其他电路组成，这些电路负责控制读写操作以及尽可能快速有效地在芯片内外获取数据。

在 CMOS 上方是一层又一层的 NAND 闪存单元。与其他设备不同，闪存单元是垂直构建的。它们从一个（相对）深而窄的孔开始，通过导体和绝缘体的交替层蚀刻。然后用材料填充孔并加工形成器件的比特存储部分。可靠地蚀刻和填充穿过所有这些层的孔的能力是该技术的关键限制。美光的工艺不是一次性蚀刻所有 232 层，而是将它们分成两部分，然后再进行堆叠，新产品的 116 层高于上一代的 88 层。

「这是一项惊人的工程壮举，」Alvaro 说道。「这是我们克服的最大挑战之一。」

根据 Toledo 的说法，未来的 NAND 芯片会是一条通往更多层的道路。「肯定存在挑战，但我们还没有看到这条路的尽头」他表示。

除了添加越来越多的层数之外，NAND 闪存制造商还可以将多个存储比特打包到单个设备中，以此提高存储比特的密度。美光芯片的每个存储单元都能够将密度提升三倍之上。也就是说，每个单元中存储的电荷会产生足够的效应来辨别八种不同的状态。虽然目前每单元 3 比特的产品（TLC）占据大多数，但也有一些 4 比特的产品存在（QLC）。

今年早些时候，西部数据的研究人员在 IEEE 国际固态电路会议上展示了一款 QLC 芯片，在 162 层芯片中实现了 15 Gb/mm^2 的面密度。Kioxia（铠侠）的工程师上个月在 IEEE 超大规模集成电路技术和电路研讨会上还展示了一个每单元 7 比特的产品，但它需要将芯片浸入 77 开尔文（-196 摄氏度）的液氮中。选择这种温度异常低的环境，是为了减少数据读取噪声。

美光正在推动 232L NAND 作为 176L NAND 的全栈替代品——该公司认为新产品适用于从移动和物联网到 PC 和数据中心产品的所有领域。美光称，新的 NAND 已经开始交付特定客户，首先是自家 Crucial 英睿达 SSD 产品，今年晚些时候新产品将进一步增加产量，几个月后，我们就可以在消费市场上看到新版 SSD 固态硬盘了。

美光目前没有宣布任何新的 Crucial 产品，这或许意味着 Crucial 将在现有产品中部署新的 NAND，因此人们需要关注新产品的性能表现。

参考内容：

https://spectrum.ieee.org/micron-is-first-to-deliver-3d-flash-chips-with-more-than-200-layers

https://www.anandtech.com/show/17509/microns-232-layer-nand-now-shipping

https://www.tomshardware.com/news/micron-takes-lead-with-232-layer-nand-up-to-2tb-per-chip-package

https://www.micron.com/products/nand-flash/232-layer-nand

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