Сообщается, что на предстоящем симпозиуме VLSI 2023 в июне компании Kioxia и WD представят доклад о самой передовой на сегодня памяти 3D NAND с более чем 300 слоями. Также будут представлены технологии, которые увеличат скорость флеш-памяти, для чего был предпринят ряд мер, включая увеличение числа плоскостей в каждом слое — отдельно работающих массивов ячеек.

Общее представление о структуре многослойной 3D NAND. Источник изображения: Western Digital

Нетрудно понять, что партнёры пойдут по пути наращивания параллелизма в работе 3D NAND. Больше отдельных массивов ячеек на кристалле (плоскостей или планов) — больше данных можно будет обработать одновременно. Сегодня таких на кристалле традиционно две или четыре, но Kioxia и WD увеличили число плоскостей до восьми.

Но и это не всё! В новой памяти с 210 активными слоями (хотя этот же приём может быть реализован в недавно анонсированной 218-слойной 1-Тбит 3D TLC NAND) задействовано чтение двух соседних ячеек памяти одним синхроимпульсом (стробом). Партнёры называют этот подход «один импульс-два строба» и он также ведёт к росту пропускной способности новой памяти. В чистом виде это снижает общее время считывания памяти на 18 %.

Ещё одним новшеством стало внедрение гибридного декодера адреса строки (X-DEC). Новая память с восемью отдельными областями ячеек в каждом слое сильно уплотнила разводку, что могло повлечь за собой ухудшение задержек чтения. Также была ускорена передача данных между памятью и хостом благодаря сокращению области запроса данных в направлении X до 41 %. Декодер смягчает все эти последствия усложнения архитектуры и дизайна кристалла и снижает задержки до 40 мс, что даже лучше, чем у серийных 128-слойных чипов 3D NAND обеих компаний (у них этот показатель по 56 мс).

Как результат, параллелизм и улучшенная архитектура поднимают пропускную способность памяти с 210 слоями до 205 Мбайт/с. Правда, для этого, очевидно, придётся создавать довольно сложные контроллеры. Появляется риск того, что контроллер не справится с распределением нагрузки по восьми плоскостям в каждом слое, и по 210 слоям вверх, и это будет сопровождаться снижением производительности вместо её роста. Добавим, скорость работы по каждому контакту шины данных составит 3,2 Гбит/с — как и у штатной 218-слойной новой 3D NAND. Так что все эти находки уже могут быть реализованы в массово выпускаемых микросхемах.

Кроме разработки восьмиплановых структур партнёры представят решение для создания 3D NAND с более чем 300 слоями. Для этого необходимо увеличить длину вертикальных сквозных каналов и повысить их качество — оно должно быть хорошо с запасом для более «высоких» микросхем. Для достижения этих целей компании планируют использовать так называемый метод металлостимулированной латеральной рекристаллизации (MILC).

Для удаления примесей и устранения дефектов в канале используется силицид никеля. Компании создали на основе технологии опытный 112-слойный чип с 14-мкм отверстиями. Измерения показали, что шум чтения снижается минимум на 40 %, а проводимость канала увеличивается в десять раз, и все это без ущерба для надёжности ячеек. Память с более чем 300 слоями, кстати, также в виде проекта или даже прототипа представила компания SK Hunix и мы о ней тоже можем услышать на предстоящем симпозиуме.

Наконец, ожидается доклад компании Tokyo Electron. Этот производитель инструментов для травления собирается рассказать о методе быстрого травления более чем 10-микронных (10 мкм) вертикальных каналов для 400-слойных 3D NAND без чрезмерного потребления энергии или использования токсичных веществ. Утверждается, что технология диэлектрического травления High-Aspect-Ratio (HAR) использует криогенный этап изготовления пластин и новый химический состав газа для создания каналов высотой 10 микрон с «превосходным» профилем травления всего за 33 минуты и с уменьшенным на 84 % углеродным следом. Ждём подробностей.

В декабре 2021 года корпорация Intel договорилась о продаже бизнеса по производству флеш-памяти на территории Китая. Покупателем стала южнокорейская SK hynix, которая на тот момент рассчитывала превратить Далянь в свою главную производственную площадку по этому типу продукции (3D NAND). Теперь обстоятельства изменились, и второе предприятие компании в Даляне может так и не начать функционировать.

Источник изображения: SK hynix

Первоначально планировалось, что рядом с унаследованным от Intel предприятием Fab 68 в этом китайском городе со временем будет построено ещё одно, специализирующееся на аналогичном виде продукции. В конце прошлой недели южнокорейское издание The Elec сообщило, что необходимость снизить капитальные затраты на 50 % в текущем году и санкционное давление США на Китай вынуждают SK hynix задуматься о продаже корпусов строящегося предприятия в Даляне без оснащения его оборудованием для производства памяти. Строительство началось в мае прошлого года и должно было продлиться около двенадцати месяцев. Если бы всё шло по плану, то уже к маю текущего года SK hynix начала бы оснащать предприятие оборудованием.

Новые требования властей США к получателям субсидий на строительство локальных предприятий и экспортные ограничения, запрещающие поставку в Китай оборудования для производства памяти 3D NAND с количеством слоёв более 128 штук, вынуждают SK hynix задуматься о будущем всего своего китайского бизнеса. Пока компания получила освобождение от этих ограничений до октября текущего года. Если она всё же решит оснастить построенное предприятие в Даляне современным оборудованием, то ей придётся сделать это до октября. Если учесть, что переговоры с поставщиками на эту тему даже не ведутся, то сделать это в указанные сроки не удастся. Более того, функционирование китайского предприятия в будущем при условии сохранения санкций со стороны США будет осложнено, поэтому продажа производственных корпусов без установленного оборудования может стать для SK hynix разумной альтернативой.

В прошлом году компания YMTC была готова наладить выпуск 232-слойной памяти типа 3D NAND, фактически приблизившись по своим технологическим возможностям к зарубежным конкурентам, но санкции США лишили её доступа к современному импортному оборудованию. Решить эту проблему компания готова в рамках импортозамещения при поддержке государственного фонда КНР.

Источник изображения: YMTC, Handout

Об этом сообщило в минувшие выходные китайское издание South China Morning Post со ссылкой на собственные источники. По их словам, YMTC значительно усилила активность по получению доступа к новейшему технологическому оборудованию китайского производства, с помощью которого рассчитывает наладить выпуск памяти типа 3D NAND, использующего технологию компоновки Xtacking 3.0. Инициатива получила кодовое обозначение Wudangshan в честь священной горы в провинции Хубэй.

YMTC разместила крупный заказ на оборудование пекинской компании Naura Technology Group, которая специализируется на производстве решений для травления кремниевых пластин. С этой точки зрения оборудование Naura является альтернативой изделиям американской Lam Research, которая вынуждена ограничить сотрудничество с YMTC из-за введения санкций США.

Как отмечают источники, YMTC попросила отечественных поставщиков удалить свои логотипы с поставляемого оборудования, чтобы снизить риск расширения санкций на данный вид продукции. Пока на пути успешной реализации этой инициативы YMTC сохраняется ряд препятствий в виде отсутствия альтернативы импортному оборудованию по ряду технологических направлений. Например, китайскими аналогами сложно заменить метрологическое оборудование американской KLA, либо литографические сканеры нидерландской ASML или японских Canon и Nikon. Где будет построена экспериментальная линия по производству памяти YMTC с использованием китайского оборудования, не уточняется.

По словам представителей одного из китайских инвесторов, выявляемые в рамках этой инициативы «узкие места» позволят шаг за шагом создавать китайское оборудование, которое заменит собой импортное. YMTC уже получила около $7 млрд государственной поддержки, поэтому остаётся лишь направить эти средства в нужное русло. По некоторым данным, новая производственная линия на основе отечественного оборудования будет запущена YMTC в следующем году. До введения санкций в октябре прошлого года компания могла претендовать на 6 % мирового рынка твердотельной памяти.

В октябре прошлого года санкции США ограничили YMTC в доступе к оборудованию, позволяющему выпускать память более чем с 128 слоями, а к концу года компания попала в «чёрный список» профильных ведомств США, который не позволяет компаниям по всему миру сотрудничать с YMTC без получения экспортной лицензии в США, если речь идёт о поставках оборудования, использующего американские технологии.

Примечательно, что 232-слойная память производства YMTC фактически уже встречается в серийных твердотельных накопителях китайского производства. Другими словами, компания может выпускать соответствующие чипы в ограниченных количествах, и доступ к профильному оборудованию нужен ей преимущественно для масштабирования производства.

Источник сообщает, что исследователи японской компании Kioxia успешно испытали память NAND с записью в каждую ячейку 7 бит данных. О записи в ячейку 6 бит данных компания рассказывала летом 2021 года. Пока это эксперименты, но всё идёт к тому, что запись 6, 7 и даже 8 бит в ячейку со временем будет реализована в коммерческом кремнии.

Источник изображения: Kioxia

Пока для достижения столь высокой плотности данных в ячейке требуются криогенные температуры. Контроллеру памяти необходимо записать и распознать 128 уровней заряда (порогового напряжения) в одной ячейке, чтобы работать с записанными в неё 7 битами информации. Это вдвое больше, чем при расшифровке 6-битовой ячейки, которую в своё время также пришлось охлаждать до температуры –196° C.

В ходе экспериментов выяснилось, что используемый для каналов транзисторов поликристаллический кремний сильно шумит и не позволяет однозначно определять множество состояний заряда в ячейках памяти. Выход был найден в переходе на использование монокристаллического кремния в каналах, и это дало эффект — 7-битовая ячейка заработала.

Однако возникла неожиданная трудность: не оказалось нужных букв для обозначения 7-битовой ячейки. Аббревиатура HLC (Hepta-Level Cell) была занята 6-битовой ячейкой (Hexa-Level Cell), а SLC (Septi-Level Cell) — однобитовой.

Компании Kioxia и Western Digital анонсировали микросхемы флеш-памяти 3D NAND с 218 слоями ёмкостью 1 Тбит. Чипы будут выпускаться как на трёхбитовых ячейках (TLC), так и на четырёхбитовых (QLC). По словам разработчиков, чипы имеют самую высокую в отрасли битовую плотность. Образцы новинок уже поступили ограниченному кругу клиентов компаний для изучения. Новая память попадёт в смартфоны, интернет-устройства и SSD.

Источник изображения: Kioxia

Новая память относится к восьмому поколению BiCS FLASH Kioxia и Western Digital. Девятое поколение откроют микросхемы с более чем 300 слоями. Партнёры используют «склейку» кристаллов для увеличения количества слоёв. Более того, в случае новинок, как можно сделать вывод из контекста пресс-релиза, массив ячеек и контроллер изготавливаются отдельно и тоже собираются в вертикальный стек в процессе «склейки».

Ранее Kioxia и Western Digital изготавливала контроллеры в составе массивов ячеек. Первой изготавливать управляющую микросхему отдельно начала китайская компания YMTC в виде технологии Xtacking. В случае 218-слойной памяти BiCS FLASH Kioxia и Western Digital речь идёт о «новаторской технологии» CBA (CMOS directly Bonded to Array), в которой контроллеры и массивы ячеек выпускаются на отдельных пластинах с оптимизацией каждого процесса, и совмещаются только после полной обработки (либо кристаллы контроллеров и массивов совмещаются уже после нарезки). В официальном документе этот момент не прояснён.

Массив ячеек по-прежнему используется «четырёхплановый» — из четырёх отдельных плоскостей массивов, что позволяет ускорить работу памяти за счёт параллелизма. Также при производстве 218-слойных сборок массивы были «ужаты» по вертикали и горизонтали. Именно это (точнее — боковая усадка ячеек) позволило увеличить плотность битов на 50 %. Дополнительно увеличена производительность работы памяти — на 60 % по сравнению с предыдущим поколением чипов. Это означает, что скорость работы по каждому контакту шины данных выросла до 3,2 Гбит/с.

Скорость записи также стала выше — на 20 % или около того. Также снизились задержки чтения, что тоже окажет положительное воздействие на производительность новых чипов 3D NAND Kioxia и Western Digital. В целом эта память станет новой ступенькой к более производительным устройствам и приложениям, ожидать которые можно к концу текущего года.

На конференции ISSCC 2023 представители компании SK hynix выступили с докладом, в котором сообщили о разработке флеш-памяти 3D NAND с более чем 300 слоями. Документ готовили 35 инженеров компании, что лишний раз подчёркивает сложность совершенствования техпроцесса производства многослойной флеш-памяти. Примечательно, что разработчики намерены не только увеличить плотность записи, но и значительно поднять пропускную способность чипов: со 164 Мбайт/с до 194 Мбайт/с.

Предыдущий рекордсмен — 238-слойная 3D NAND SK hynix. Источник изображения: SK hynix

Нетрудно понять, что инженеры SK hynix работают по двум основным и важнейшим направлениям: они намерены повысить плотность записи (снизить стоимость хранения каждого бита данных) и повысить производительность. С появлением «многоэтажной» 3D NAND повышать плотности записи стало довольно просто в идее, но сложно в исполнении — это увеличение числа слоёв с одновременным сокращением шага между слоями. И то и другое ведёт к росту сопротивления линии wordline (WL), соединяющей ячейки в строке матрицы. Этот рост приходится тем или иным образом компенсировать, иначе пострадают быстродействие и энергоэффективность.

Сравнение 238- и 300-слойной 3D NAND

SK hynix рассказала о гипотетическом чипе памяти NAND с более чем 300 слоями, который состоит из трёхбитовых (TLC) ячеек и может похвастаться ёмкостью 1 Тбит. За счёт увеличения числа слоёв плотность размещения ячеек вырастет с 11,55 Гбит/мм² у актуальной 238-слойной памяти до более чем 20 Гбит/мм². Общую производительность памяти предложено поднимать пятью отдельными способами, в целом направленными на ускорение процессов записи, стирания и чтения. Для этого придётся внести изменения в последовательности и тайминги команд.

В частности, предложено реализовать метод тройной проверки программирования (TPGM) вместо ранее двойной проверки DPGM. В новой версии ячейки будут делиться на четыре группы, а не на три. Технология TPGM уменьшает параметр tPROG и это вместе с увеличенной разбивкой примерно на 10 % сократит время программирования ячеек.

Также параметр tPROG уменьшит новая технология адаптивного предварительного заряда невыбранной строки (AUSP). Это ускорит работу с ячейками ещё примерно на 2 %. Ещё немного ускорения получится за счёт снижения ёмкостной нагрузки на линию WL, что обеспечит метод программируемой фиктивной строки (PDS). Метод всепроходного нарастания (APR) даст уменьшение времени считывания (tR), что выразится в сокращении времени реакции линии WL на новый уровень напряжения и улучшит время чтения на 2 %. Наконец, для улучшения качества обслуживания во время стирания применят метод повторного чтения на уровне плоскости (PLRR).

Компиляция по данным о поколениях 3D NAND разных производителей. Источник изображения: blocksandfiles.com

Всё вместе, как сказано выше, позволит поднять скорость работы 1-Тбит 3D NAND TLC компании SK hynix за поколение с 164 Мбайт/с до 194 Мбайт/с с одновременным увеличением плотности записи. Уточним, представители компании не стали и вряд ли могли раскрыть производственный график по выпуску памяти NAND 300+. Можно ожидать, что первые прототипы начнут появляться к концу года или даже не раньше начала 2024 года. Пока же и в течение текущего года в производстве будет находиться память с 230+ слоями, выпуск которой в той или иной степени наладили все главные игроки рынка NAND-памяти.

Intel является не единственной компанией полупроводникового сектора, переживающей непростые времена с точки зрения финансовых ресурсов. Рынок памяти пострадал от перепроизводства наиболее сильно, и Micron Technology ради экономии средств также придётся урезать компенсационные пакеты руководителей разного уровня, включая генерального директора Санджея Мехротру (Sanjay Mehrotra).

Источник изображения: Micron Technology

Он, как сообщает Bloomberg, в новом фискальном году потеряет в базовой зарплате сразу 20 %. В прошлом фискальном году он получил $1,41 млн выплат в денежной форме, поэтому легко представить, насколько сократится его гарантированное вознаграждение по итогам текущего фискального года. Впрочем, с учётом выплат разного рода бонусов в форме акций компании генеральный директор в прошедшем фискальном году совокупно заработал $28,8 млрд, и эта сумма в новом году не уменьшится именно на 20 %.

По данным источника, доходы руководства Micron в денежной форме сократятся на величину от 53 до 75 %, поскольку одновременно будут отменены и премии. На 20 % будут урезаны и вознаграждения внешних членов совета директоров Micron Technology. Исполнительные вице-президенты компании потеряют в базовом доходе по 15 %, а старшие вице-президенты — по 10 %. Кризис на рынке памяти подтолкнул Micron к сокращению численности персонала на 10 %, поэтому пострадают и некоторые рядовые сотрудники.

Интересно, что на этом преимущественно негативном новостном фоне аналитики Mizuho Securities решились улучшить прогноз по динамике курса акций Micron Technology. По их мнению, складские запасы микросхем памяти достигнут максимума в текущем квартале, и затем выручка производителей памяти начнёт постепенно расти. С начала текущего года акции Micron выросли в цене на 19 % до $60, во втором полугодии у них есть шанс укрепиться до $72, как считают эксперты.

Реструктуризация Western Digital Corporation, подразумевающая обособление бизнеса по выпуску флеш-памяти, давно обсуждается на уровне слухов. По информации источников Bloomberg, сделка с Kioxia может состояться в ближайшие месяцы и породить объединённую компанию, чьи акции будут размещены как в США, и так и в Японии. Руководить бизнесом будут представители Western Digital.

Источник изображения: Kioxia

Переговоры между участниками потенциальной сделки, по словам первоисточника, продвигаются, хотя об окончательной её структуре пока говорить рано. На данном этапе предполагается, что бизнес WDC по производству твердотельной памяти структурно отделится от американской корпорации и будет объединён с активами Kioxia. Акции объединённой компании выйдут на фондовый рынок как США, так и Японии, но с некоторой задержкой во времени.

Альянс WDC и Kioxia уже обсуждался в 2021 году, но тогда конкретных договорённостей достичь не удалось. Сейчас бизнес по выпуску твердотельной памяти переживает не самые лучшие времена: цены и спрос упали, но это может способствовать слиянию компаний на более выгодных условиях. Объединение активов этих компаний создаст второго по величине производителя твердотельной памяти в мире после Samsung. Сейчас у Kioxia и Western Digital уже есть совместное предприятие в Японии, занимающееся выпуском флеш-памяти, поэтому компаниям так или иначе приходится взаимодействовать на протяжении многих лет.