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NAND??行業里的one pick——容量 or 收益

國外分析機構Wells Fargo分析師,Joe Quatrochi對外發布了一份描述NAND??行業產能增長狀況的說明。起因是投資者對公開報價的NAND行業供應商的好奇心。

使用半導體技術(如氣相沉積和蝕刻)在晶圓上快速構建閃存裸片(flash die)。閃存代工運營商面臨一個難題——如何提高容量滿足用戶需求?

目前有五種方法。一種是通過在晶圓上構建3D NAND裸片,通過增加層數增加容量。第二種是增加單位單元存儲的比特位——比如從TLC變成QLC。

第三種是縮小NAND裸片的單元物理尺寸,這也意味著每個晶圓上的裸片數量會越來越多。但單元要有存儲重寫值的可靠性,而在寫周期方面的耐用性會隨著進程大小以及單元存儲比特數的增加而降低,然后開始出現瓶頸。

NAND??行業平均參考指標

第四種制造商制造出更多的晶圓,以每月晶圓產能(wspm)計算,這意味著一旦晶圓廠的晶圓產能得到充分分配,就要建造新的晶圓廠。

第五種是同時選擇兩個或多個以上選項——增加層級,單位單元比特數,物理大小以及晶圓月產能。

業內不同工藝制程的寫入周期

Quatrochi的研究深入了解了這些選擇中所涉及的問題。

層數增加

增加層數意味著進程的復雜性和處理時間的增長。64層裸片上蝕刻要比96層的容易,并且隨著層數增加到112、128、144層,難度會依次增加。這意味著裸片的良率可能會大大下降。相應地產量下降會導致每TB NAND的成本上升。

NAND供應商及其已知的層級發展階段。

Quatrochi提到了一個縱橫比的問題,他指出,3D NAND的垂直堆疊屬性使其越來越依賴蝕刻工藝的精度平衡更高的縱橫比,同時沉積實現晶圓上薄膜的一致性更加困難。

縱橫比隨著層數增加而提升,預計一個96層設備縱橫比約為70:1(相對64層為60:1)??v橫比的持續增加會導致在沉積和蝕刻步驟中出現許多潛在問題,包括各層厚薄不均,蝕刻不完全(打孔未到達底部),彎曲,扭曲及頂部和底部之間線寬變化。

這些問題可能會導致裸片失效,降低晶圓成品率。添加層數還會增加處理時間,代表增加成本。

Quatrochi在說明中稱,隨著處理時間的增加/額外的處理進程,層數增加將導致更低的晶圓產能。例如,據估計128層單層蝕刻的時間是96L蝕刻時間的2倍。

如果每臺機器花5天時間來制造一個晶圓,那么你可以達到6個的月度晶圓產能(平均每月30天)。如果花10天時間則產能減半。供應商不得不考慮如果他們的機器用兩倍的時間來制造晶圓,通過增加層數讓每個裸片容量增加30%,實際發售容量是否真的在增加。

解決由層數增加引起的制造問題的一種方式是字符串堆疊(string stacking)。就是把兩個48層裸片疊加制造96層的。這樣減小了孔蝕刻深度。

但字符串堆棧不是長久之計,字符串堆棧通過增加進程可能增加30%+的成本。容量相對提升了,但很難平衡進程時間和成本增加。

隨著層數的增加和計算變得更加復雜都在成為裸片成品率下降的因素。隨著制造工藝的調整,產量往往會隨著時間的增長而增加,但這并非精準科學。

單元比特位

另一個復雜因素是單元存儲的比特位數量。如上所述,從SLC到MLC(每單元存儲2個比特位)的升級,容量的增加是100%。轉向TLC(每單元3個比特位)獲得50%的容量提升。但從TLC到QLC(每單元4個比特位)的過渡意味著容量提高33%,而從QLC到PLC(每單元5個比特位)則增加25%,下一次可能只是20%。

實際產能(每個晶圓的TB容量)可能與理論收益有所不同。 Quatrochi表示, QLC 3D NAND 晶圓容量估計達70TB。西部數據的112層QLC NAND容量估計比TLC 112層高40%。這比我們注意到的理論上33%增長要高。

單元存儲NAND比特位越多,耐用性就會降低。QLC NAND與TLC NAND相比,讀寫比特位需要更長的時間,并且QLC比TLC單元的壽命短。PLC的情況更差。

SK海力士128層晶圓,芯片,SSD。

SSD的超額配置(Over-provisioning )是通過預留空間(extra cells) 來替換故障的單元,會增加成本。如果沒有成本優勢,把有20%超額配置的QLC SSD替換成有相同可用容量,還要有50%超額配置以確保耐用性的PLC SSD,有什么意義?

層數增加導致收益減少

我們知道,通過增加層數來提高每個裸片的容量會導致收益減少。從64層到96層能增加50%的容量。從96層過渡到128層容量增加33%。到160層意味著容量增加25%。升級到192層將使容量增長20%。最終,額外的處理時間和良率問題將抵消收益。

此時,要通過制造更多的晶圓來增加容量。使用率達到50%的機器用兩倍的時間可以制造出同樣的裸片數量,之后還需要更多的設備乃至建立一個新的晶圓廠,投資將達150億美元。

容量 VS 成本

由于各種NAND裸片存在生產問題,SSD容量的增長速度趨于放緩。我們可以從圖表中按層數顯示行業發貨量隨時間發生的變化:

我們看到,與64/72層 NAND相比,將96層NAND提升到70%的行業發貨量需要更長的時間(按發布后的季度計算)。100層以上NAND的第一次迭代看起來可能還需要更長的時間。

NAND和SSD行業在技術上是豐富的??傮w上講,沒有進入容量增加的瓶頸,但增加容量的成本和困難在增加,路也越走越窄。

標準SSD會增加NAND裸片的可用物理空間。驅動器和主機控制器誤差校驗技術,通過避免隨機寫入來降低寫入周期以及超額配置將有助于QLC以及PLC NAND的應用。更好的工藝技術和材料將有助于縮小單元尺寸,前景樂觀。

晶圓和磁盤

層數問題不會影響到硬盤制造商,制造商們用半導體技術在磁盤的圓形晶圓上構建比特位存儲裝備,磁區,而且比NAND晶圓物理尺寸小。磁盤是一維結構。硬盤制造商想解決的問題是在保持存儲的比特值穩定且可讀的同時縮小其物理尺寸。

對于當前使用的磁性材料,比特面積收縮減少了比特位中的電子數量。隨著尺寸的減小,區域磁場的穩定性在室溫下趨于不可測。

因此,磁盤供應商正在轉向熱輔助記錄,在室溫下通過更穩定的記錄材料來實現比特位穩定性和可讀性,更強地抵抗磁極性變化。使比特面積易于通過熱輔助或微波(MAMR)輔助磁記錄發生變化,當然還會帶來一些自身的問題,不過沒有層數問題。

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