隨著星空人工智能和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的發(fā)展所帶來的數(shù)據(jù)量的爆炸式增加，NAND閃存的重要性越來越高。鎧俠在已經(jīng)開始量產(chǎn)的第八代3D閃存BiCS FLASH中導(dǎo)入了外圍電路直接鍵合到存儲陣列(CMOS directly Bonded to Array, CBA)新技術(shù),通過對兩枚晶圓進行高精度鍵合，從而成功提高了存儲密度和性能。
數(shù)據(jù)量的爆炸性增加 導(dǎo)致閃存的重要性也在增加
隨著各種系統(tǒng)的自動化、汽車的電動化以及生成式星空人工智能的普及，數(shù)據(jù)量正呈現(xiàn)出爆炸式增加的趨勢。為了處理數(shù)量龐大的數(shù)據(jù)，各種高性能處理器的應(yīng)用也在不斷得到推進，而其中變得尤為重要的正是NAND閃存（以下簡稱為“閃存”）。
閃存的作用是對數(shù)據(jù)或程序進行保存，而隨著數(shù)據(jù)量的增加，在大容量化、讀寫性能的提高、耗電量的削減、接口的高速化等所有方面都需要加以升級。
為了滿足市場的要求，鎧俠成功推進了相應(yīng)技術(shù)的開發(fā)，由此實現(xiàn)了閃存的大容量化和存儲的高密度化。
不單純依賴“高層數(shù)” 鎧俠閃存究竟如何升級？
作為在1987年發(fā)明閃存的制造商，鎧俠以“用‘記憶’讓世界變得更有趣”為己任，在此后的近40年來一直引領(lǐng)著閃存技術(shù)的進步。
閃存技術(shù)的升級首先始于2D（平面方向）型的進化。該項技術(shù)通過布線的微細化，提高了每枚硅模的存儲容量和存儲密度。精細化一直以來都是閃存廠商間競爭的根本，但當(dāng)布線寬度達到15nm時則迎來了極限。因為一些不容忽視的問題不斷出現(xiàn)，諸如“存儲單元間距太小近則會產(chǎn)生漏電流”、“存儲在兩個存儲單元中的電子數(shù)減少則會影響到讀寫的可靠性”等。
鎧俠此次采用在3D垂直對存儲單元加以堆疊的方法，開始對該項技術(shù)加以升級，通過增加積層數(shù)而使每單位面積的存儲單元數(shù)量得以增加，成功實現(xiàn)了大容量化和高度集成化。2007年，鎧俠發(fā)布了對存儲單元加以堆疊的3D閃存技術(shù)。2015年，鎧俠以“BiCS FLASH”（注1）為品牌名稱，實現(xiàn)了48層3D閃存的產(chǎn)品化。從那以后，鎧俠以大約每2年的節(jié)奏，不斷發(fā)布了積層數(shù)得到升級的BiCS FLASH產(chǎn)品，直至于2021年發(fā)布了162層的第六代BiCS FLASH產(chǎn)品。
近年來，各家閃存廠商尤為著力的，就是對通過存儲單元“高層數(shù)”方式以提高存儲密度的技術(shù)的開發(fā)。每當(dāng)有新一代閃存產(chǎn)品發(fā)布，層數(shù)就會有所增加，有些產(chǎn)品甚至已經(jīng)超過了200層。但是，鎧俠存儲器事業(yè)部部長井上敦史則表示：“存儲單元的‘高層數(shù)’只不過是大容量化和存儲密度升級的方法之一，我們并不拘泥于積層數(shù)的增加。”
至于存儲單元積層疊數(shù)的增加，在成本和制造工藝方面也面臨著諸多的課題，其中最為顯著的就是加工難度的提升。不僅必須將各層晶圓制作得極薄，而且進行堆疊會使得晶圓高度有所增高，而為了形成存儲單元，則需要加工出極深且極細的孔，這就不可避免的需要導(dǎo)入最先進的設(shè)備，而這將花費龐大的成本。此外，隨著存儲單元積層數(shù)的增加，生產(chǎn)時間也會相應(yīng)地被拉長。
井上敦史表示，“鎧俠最為重視的是如何高效實現(xiàn)對存儲單元的高度集成化和高密度化。一枚晶圓能存儲多少千兆位，即能夠?qū)?lsquo;千兆位密度（GB/mm2）’提高到怎樣的水平，這是極為重要的課題。我們的目標，不是單純地增加積層數(shù)，而是對內(nèi)存洞的深度、平面方向的設(shè)計技術(shù)、工藝技術(shù)等各種要素實施優(yōu)化，從而開發(fā)出成本和與性能達到最佳平衡的閃存產(chǎn)品。”
按上述設(shè)計思路所開發(fā)出的產(chǎn)品，就是鎧俠的四?市工廠（三重縣四?市市）和北上工廠（巖手縣北上市）生產(chǎn)的最新閃存、即218層的第八代BiCS FLASH（注2）產(chǎn)品。
CBA：用不同晶圓制作控制電路和存儲單元
第八代BiCS FLASH的最大特點是導(dǎo)入了“CBA（CMOS directly Bonded to Array）”架構(gòu)。該項技術(shù)使用不同的晶圓來制作負責(zé)存儲單元控制的CMOS電路與存儲單元陣列，并且將存儲單元陣列側(cè)的晶圓進行翻轉(zhuǎn)后再將兩枚晶圓粘貼在一起。
到上一代的第六代BiCS FLASH為止所采用的，都是在CMOS電路上形成存儲單元陣列的“CUA（CMOS Under Array）”架構(gòu)。CUA工藝所采用的方法，是在先完成制作的CMOS電路上層形成存儲單元陣列，而為了提高存儲單元的可靠性，需要用高溫進行熱處理。但是，高溫處理會導(dǎo)致CMOS電路的晶體管特性出現(xiàn)惡化，因此CUA制造工藝在溫度方面存在著相當(dāng)大的限制，從而成為限制存儲單元性能提升的瓶頸之一。
CBA架構(gòu)的優(yōu)點是：可以使用最佳的制造工藝來分別制作CMOS電路用晶圓和存儲單元用晶圓。這樣，由于只需要對存儲單元陣列的晶圓進行高溫處理，因此能夠在不考慮對CMOS電路造成影響的情況下，采用能夠確?？煽啃缘谋匾獪囟冗M行熱處理。通過將兩種晶圓的制造工藝加以區(qū)分，可以最大限度地發(fā)揮CMOS電路和存儲單元的性能。
與以往相比，采用堆疊2種不同晶圓的制作工藝具有能夠縮短生產(chǎn)時間的優(yōu)點。
但是，晶圓的“貼合”絕不是輕而易舉就能實現(xiàn)的。為了確保閃存的可靠性，必須以極高的精度進行對位。井上敦史表示，“假設(shè)晶圓的直徑為1km，那么粘合時的偏離精度需要低于1mm”，如果對位的精度不夠，則會對性能產(chǎn)生影響，例如“閃存無法工作”，或者“即使能夠工作也會導(dǎo)致其使用壽命和可靠性顯著降低”等。
上圖為第八代BiCS FLASH的電?顯微照片。圖中的粉色線表示貼合面，上部為存儲單元陣列，下部為CMOS電路。從圖中可以看出，兩者粘合得十分緊密，其特征是間距極窄，僅為幾微米。
提供：鎧俠
為了能夠?qū)擅毒A準確貼合在一起，各枚晶圓的表面必須非常平坦，因此需要進行高強度的平坦化處理。CBA技術(shù)能夠使上述作為制作工藝的種種先進技術(shù)成為現(xiàn)實，其成果就是第八代BiCS FLASH。
第八代BiCS FLASH的層數(shù)超過了前代產(chǎn)品，達到了218層。井上敦史認為，“盡管這個層數(shù)比同一代的競品（約230層的3D閃存）低5%以上，但是根據(jù)本公司的估算，在千兆位密度方面則高出了約15～20%。因此可以說，本公司的方法有效地實現(xiàn)了高度集成化。”
第八代BiCS FLASH大幅度提高了高密度化的程度和性能，與BiCS FLASH的前代產(chǎn)品相比，存儲密度提高了50%，寫入性能提高了20%，讀取速度提高了10%，耗電量減少了30%（寫入時），接口速度達到了3.6 Gbps（千兆/秒（注3））。井上敦史表示，“通過導(dǎo)入CBA架構(gòu)，存儲單元自身的特性變得更佳，這直接關(guān)系到了在寫入性能等方面的提高。”
“上述性能的改善絕非是輕而易舉就能夠?qū)崿F(xiàn)的”， 井上敦史表示，“一般而言，存儲單元的積層數(shù)越多，則需要使每一層都變得更薄、存儲單元變得更小，因此這使得存儲單元的‘原有特性’出現(xiàn)惡化的趨勢。如果無法不斷突破這一課題并制作出具有高度可靠性的存儲單元，晶圓的性能就無法得到提升。這應(yīng)該就是困擾各家存儲器供應(yīng)商的因素吧。但即便如此，每一代新產(chǎn)品的推出都能夠?qū)崿F(xiàn)10%左右的性能改善，這恐怕也將會成為一項指標或者目標吧。”
井上敦史強調(diào)說，“通過高層數(shù)來提高存儲密度是有效的方法之一，但是不依賴積層數(shù)，而是像CBA架構(gòu)那樣不斷導(dǎo)入最佳技術(shù)來實現(xiàn)位密度的提高則尤為重要。從這個意義上來說，我認為第八代BiCS FLASH可以說是?款完美實現(xiàn)了上述思路的產(chǎn)品。”
“第八代BiCS FLASH”的300mm晶圓
數(shù)據(jù)中心對SSD的需求日益增長
第八代BiCS FLASH的目標是應(yīng)用于更為廣泛的用途，包括與越來越多被PC所采用的PCIe 5.0兼容的SSD，到面向智能手機的存儲設(shè)備、數(shù)據(jù)中心SSD、企業(yè)級SSD以及車載用存儲設(shè)備等。井上敦史表示，“從已經(jīng)開始樣品出貨的客戶那里，我們獲得了關(guān)于可靠性和性能方面的積極反饋。”
特別值得期待的，是第八代BiCS FLASH在數(shù)據(jù)中心方面的應(yīng)用。井上敦史說，“隨著生成式星空人工智能的普及，HBM（高頻寬內(nèi)存）在數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器上的應(yīng)用不斷深入，但是其耗電量極高。因此，市場對低耗電量的小型、輕量型SSD的需求越來越大。”在企業(yè)級產(chǎn)品領(lǐng)域，從HDD置換為SSD的速度也有望得到加速。
井上敦史表示，“我們將與各合作伙伴展開合作，以致力于實現(xiàn)一個更好的社會，并且以擴展閃存的應(yīng)用范圍為目標，繼續(xù)開發(fā)各種性能有所提升的高密度閃存產(chǎn)品。”
在產(chǎn)生龐大數(shù)據(jù)量的應(yīng)用程序不斷增多的背景下，閃存作為“數(shù)據(jù)保存設(shè)備”的重要性也會進一步有所提升，而鎧俠的第八代BiCS FLASH將會為存儲設(shè)備創(chuàng)造出新的價值。
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