隨著星空人工智能和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的發(fā)展所帶來(lái)的數(shù)據(jù)量的爆炸式增加，NAND閃存的重要性越來(lái)越高。鎧俠在已經(jīng)開(kāi)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(chǔ)陣列(CMOS directly Bonded to Array, CBA)新技術(shù),通過(guò)對(duì)兩枚晶圓進(jìn)行高精度鍵合，從而成功提高了存儲(chǔ)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(dòng)化、汽車(chē)的電動(dòng)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(shì)。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(jìn)，而其中變得尤為重要的正是NAND閃存（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為“閃存”）。
閃存的作用是對(duì)數(shù)據(jù)或程序進(jìn)行保存，而隨著數(shù)據(jù)量的增加，在大容量化、讀寫(xiě)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(jí)。
為了滿(mǎn)足市場(chǎng)的要求，鎧俠成功推進(jìn)了相應(yīng)技術(shù)的開(kāi)發(fā)，由此實(shí)現(xiàn)了閃存的大容量化和存儲(chǔ)的高密度化。
不單純依賴(lài)“高層數(shù)” 鎧俠閃存究竟如何升級(jí)？
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(lái)一直引領(lǐng)著閃存技術(shù)的進(jìn)步。
閃存技術(shù)的升級(jí)首先始于2D（平面方向）型的進(jìn)化。該項(xiàng)技術(shù)通過(guò)布線的微細(xì)化，提高了每枚硅模的存儲(chǔ)容量和存儲(chǔ)密度。精細(xì)化一直以來(lái)都是閃存廠商間競(jìng)爭(zhēng)的根本，但當(dāng)布線寬度達(dá)到15nm時(shí)則迎來(lái)了極限。因?yàn)橐恍┎蝗莺鲆暤膯?wèn)題不斷出現(xiàn)，諸如“存儲(chǔ)單元間距太小近則會(huì)產(chǎn)生漏電流”、“存儲(chǔ)在兩個(gè)存儲(chǔ)單元中的電子數(shù)減少則會(huì)影響到讀寫(xiě)的可靠性”等。
鎧俠此次采用在3D垂直對(duì)存儲(chǔ)單元加以堆疊的方法，開(kāi)始對(duì)該項(xiàng)技術(shù)加以升級(jí)，通過(guò)增加積層數(shù)而使每單位面積的存儲(chǔ)單元數(shù)量得以增加，成功實(shí)現(xiàn)了大容量化和高度集成化。2007年，鎧俠發(fā)布了對(duì)存儲(chǔ)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(chēng)，實(shí)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(jí)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(lái)，各家閃存廠商尤為著力的，就是對(duì)通過(guò)存儲(chǔ)單元“高層數(shù)”方式以提高存儲(chǔ)密度的技術(shù)的開(kāi)發(fā)。每當(dāng)有新一代閃存產(chǎn)品發(fā)布，層數(shù)就會(huì)有所增加，有些產(chǎn)品甚至已經(jīng)超過(guò)了200層。但是，鎧俠存儲(chǔ)器事業(yè)部部長(zhǎng)井上敦史則表示：“存儲(chǔ)單元的‘高層數(shù)’只不過(guò)是大容量化和存儲(chǔ)密度升級(jí)的方法之一，我們并不拘泥于積層數(shù)的增加。”
至于存儲(chǔ)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(jìn)行堆疊會(huì)使得晶圓高度有所增高，而為了形成存儲(chǔ)單元，則需要加工出極深且極細(xì)的孔，這就不可避免的需要導(dǎo)入最先進(jìn)的設(shè)備，而這將花費(fèi)龐大的成本。此外，隨著存儲(chǔ)單元積層數(shù)的增加，生產(chǎn)時(shí)間也會(huì)相應(yīng)地被拉長(zhǎng)。
井上敦史表示，“鎧俠最為重視的是如何高效實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)單元的高度集成化和高密度化。一枚晶圓能存儲(chǔ)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(biāo)，不是單純地增加積層數(shù)，而是對(duì)內(nèi)存洞的深度、平面方向的設(shè)計(jì)技術(shù)、工藝技術(shù)等各種要素實(shí)施優(yōu)化，從而開(kāi)發(fā)出成本和與性能達(dá)到最佳平衡的閃存產(chǎn)品。”
按上述設(shè)計(jì)思路所開(kāi)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(chǔ)單元
第八代BiCS FLASH的最大特點(diǎn)是導(dǎo)入了“CBA（CMOS directly Bonded to Array）”架構(gòu)。該項(xiàng)技術(shù)使用不同的晶圓來(lái)制作負(fù)責(zé)存儲(chǔ)單元控制的CMOS電路與存儲(chǔ)單元陣列，并且將存儲(chǔ)單元陣列側(cè)的晶圓進(jìn)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(chǔ)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(chǔ)單元陣列，而為了提高存儲(chǔ)單元的可靠性，需要用高溫進(jìn)行熱處理。但是，高溫處理會(huì)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(chǔ)單元性能提升的瓶頸之一。
CBA架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：可以使用最佳的制造工藝來(lái)分別制作CMOS電路用晶圓和存儲(chǔ)單元用晶圓。這樣，由于只需要對(duì)存儲(chǔ)單元陣列的晶圓進(jìn)行高溫處理，因此能夠在不考慮對(duì)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(jìn)行熱處理。通過(guò)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(chǔ)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(shí)間的優(yōu)點(diǎn)。
但是，晶圓的“貼合”絕不是輕而易舉就能實(shí)現(xiàn)的。為了確保閃存的可靠性，必須以極高的精度進(jìn)行對(duì)位。井上敦史表示，“假設(shè)晶圓的直徑為1km，那么粘合時(shí)的偏離精度需要低于1mm”，如果對(duì)位的精度不夠，則會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生影響，例如“閃存無(wú)法工作”，或者“即使能夠工作也會(huì)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(chǔ)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(zhǔn)確貼合在一起，各枚晶圓的表面必須非常平坦，因此需要進(jìn)行高強(qiáng)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(jìn)技術(shù)成為現(xiàn)實(shí)，其成果就是第八代BiCS FLASH。
第八代BiCS FLASH的層數(shù)超過(guò)了前代產(chǎn)品，達(dá)到了218層。井上敦史認(rèn)為，“盡管這個(gè)層數(shù)比同一代的競(jìng)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(shuō)，本公司的方法有效地實(shí)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(chǔ)密度提高了50%，寫(xiě)入性能提高了20%，讀取速度提高了10%，耗電量減少了30%（寫(xiě)入時(shí)），接口速度達(dá)到了3.6 Gbps（千兆/秒（注3））。井上敦史表示，“通過(guò)導(dǎo)入CBA架構(gòu)，存儲(chǔ)單元自身的特性變得更佳，這直接關(guān)系到了在寫(xiě)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(chǔ)單元的積層數(shù)越多，則需要使每一層都變得更薄、存儲(chǔ)單元變得更小，因此這使得存儲(chǔ)單元的‘原有特性’出現(xiàn)惡化的趨勢(shì)。如果無(wú)法不斷突破這一課題并制作出具有高度可靠性的存儲(chǔ)單元，晶圓的性能就無(wú)法得到提升。這應(yīng)該就是困擾各家存儲(chǔ)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(huì)成為一項(xiàng)指標(biāo)或者目標(biāo)吧。”
井上敦史強(qiáng)調(diào)說(shuō)，“通過(guò)高層數(shù)來(lái)提高存儲(chǔ)密度是有效的方法之一，但是不依賴(lài)積層數(shù)，而是像CBA架構(gòu)那樣不斷導(dǎo)入最佳技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)位密度的提高則尤為重要。從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，我認(rèn)為第八代BiCS FLASH可以說(shuō)是?款完美實(shí)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(duì)SSD的需求日益增長(zhǎng)
第八代BiCS FLASH的目標(biāo)是應(yīng)用于更為廣泛的用途，包括與越來(lái)越多被PC所采用的PCIe 5.0兼容的SSD，到面向智能手機(jī)的存儲(chǔ)設(shè)備、數(shù)據(jù)中心SSD、企業(yè)級(jí)SSD以及車(chē)載用存儲(chǔ)設(shè)備等。井上敦史表示，“從已經(jīng)開(kāi)始樣品出貨的客戶(hù)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(shuō)，“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(chǎng)對(duì)低耗電量的小型、輕量型SSD的需求越來(lái)越大。”在企業(yè)級(jí)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(kāi)合作，以致力于實(shí)現(xiàn)一個(gè)更好的社會(huì)，并且以擴(kuò)展閃存的應(yīng)用范圍為目標(biāo)，繼續(xù)開(kāi)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(huì)進(jìn)一步有所提升，而鎧俠的第八代BiCS FLASH將會(huì)為存儲(chǔ)設(shè)備創(chuàng)造出新的價(jià)值。
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