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芯片分為存儲芯片和非存儲芯片,其中存儲芯片的種類很多,按用途可分為主存儲芯片和輔助存儲芯片。前者又稱內(nèi)存儲芯片(內(nèi)存),可以與CPU直接交換數(shù)據(jù),速度快、容量小、價格高。后者為外存儲芯片(外存),指除內(nèi)存及緩存以外的儲存芯片。此類儲存芯片一般斷電后仍然能保存數(shù)據(jù),速度慢、容量大、價格低。
存儲芯片中最為重要的要屬DRAM(內(nèi)存)和NAND flash(閃存),2018年,中國進口了3120億美元的芯片(為中國進口金額最高的物品超過石油),其中存儲芯片占集成電路進口金額的39%,達到1230.6億美元。這1230.6億美元的存儲芯片中,高達97%的是DRAM和FLASH。如今閃存技術已經(jīng)發(fā)展26年,被美日韓三國的三星、東芝、美光、海力士、英特爾五家企業(yè)壟斷。
這些企業(yè)掌握了內(nèi)存和閃存的定價權,隨意操縱價格,2010年的時候,三星等企業(yè)非法操縱閃存價格更是遭遇歐美高價罰款。目前,主流的閃存技術是3D NADA,3D NAND是一種新興的閃存類型,通過把存儲單元堆疊在一起來解決2D或平面NAND閃存帶來的限制。普通的NAND是平房,那么3D NAND就是高樓大廈,建筑面積一下子變多了,理論上來講可以無限堆疊。
層數(shù)的增加也就意味著對工藝、材料的要求會提高。而且在堆疊層數(shù)增加的時候,存儲堆棧的高度也在增大,然而每層的厚度卻在縮小。每升級一次堆棧厚度都會變成原來的1.8倍,而層厚度會變成原來的0.86倍。在2016年前,中國在存儲芯片市場為0,所以極易被國外卡脖子。這個時候,紫光集團成立了長江存儲,來攻克閃存技術。
從2016年開始努力,到2017年11月,紫光集團花費了10億美元,整整1000人的研發(fā)團隊花費2年時間研發(fā)成功首款國產(chǎn)32層3D NAND存儲芯片。這標志著中國存儲芯片實現(xiàn)了0的起步。2019年5月,紫光成功研發(fā)了64層堆棧閃存芯片,與三星的96層堆棧只有1代的差距,要知道,2018年64層堆棧3D NAND閃存才大規(guī)模量產(chǎn)。
三星、東芝等閃存大廠按照產(chǎn)品規(guī)劃,在2020年將量產(chǎn)128層堆棧閃存,紫光卻跳過了96層的研發(fā),直接攻關128層閃存。2020年4月13日,長江存儲科技有限責任公司宣布其128層QLC 3D NAND 閃存(型號:X2-6070)研發(fā)成功,并已在多家控制器廠商SSD等終端存儲產(chǎn)品上通過驗證,領先了三星等企業(yè)。
長江存儲X2-6070是業(yè)內(nèi)首款128層QLC規(guī)格的3D NAND閃存,擁有業(yè)內(nèi)已知型號產(chǎn)品中最高單位面積存儲密度,最高I/O傳輸速度和最高單顆NAND 閃存芯片容量。此次同時發(fā)布的還有128層512Gb TLC(3 bit/cell)規(guī)格閃存芯片(型號:X2-9060),單顆容量512Gb(64GB),以滿足不同應用場景的需求。
根據(jù)Techinsihts的3D閃存路線圖及廠商的資料,三星的110+層(有128、136不同水平的)3D閃存核心容量可以做到QLC 1Tb,美光的128層、SK海力士的128層、Intel的144層QLC閃存也是1Tb核心容量,東芝/西數(shù)的112層BiCS 5技術的閃存堆棧可以做到QLC 1.33Tb容量,是此前已知最高的。從容量上來說,長江存儲的X2-6070 QLC閃存與東芝/西數(shù)同級,比其他家的要高出33%。
除了容量之外,還要看性能,IO速度上X2-6070是1600Mbps,而三星的128層閃存速度是1200Mbps,西數(shù)、東芝的也是1200Mbps,其他家的IO速度沒有確切數(shù)據(jù),估計也在1200Mbps左右。所以在IO性能上,長江存儲的X2-6070閃存也是第一,這點比其他廠商是要領先的,從技術指標上來說,長江存儲的X2-6070閃存是國產(chǎn)閃存首次進入第一梯隊,而且同時在容量、密度及性能上領先,意義重大。
這也是中國首次在閃存規(guī)格上超過三星等內(nèi)存大廠,標志著中國打破了美日韓在閃存市場上的定價權。自所以紫光在閃存規(guī)格上可以和其他閃存大廠處于同一梯隊,是因為紫光還自研了Xtacking結(jié)構的3D NAND閃存技術,該技術將為3D NAND閃存帶來前所未有的I/O高性能,更高的存儲密度,以及更短的產(chǎn)品上市周期。
采用Xtacking,可在一片晶圓上獨立加工負責數(shù)據(jù)I/O及記憶單元操作的外圍電路。這樣的加工方式有利于選擇合適的先進邏輯工藝,以讓NAND獲取更高的I/O接口速度及更多的操作功能。存儲單元同樣也將在另一片晶圓上被獨立加工。當兩片晶圓各自完工后,創(chuàng)新的Xtacking技術只需一個處理步驟就可通過數(shù)百萬根金屬VIA(Vertical Interconnect Accesses,垂直互聯(lián)通道)將二者鍵合接通電路,而且只增加了有限的成本。
2019年,長江存儲再次升級了Xtacking技術,發(fā)布了Xtacking2.0,將進一步提升進一步提升NAND吞吐速率、提升系統(tǒng)級存儲的綜合性能。當然了,雖然我們打破了美日韓在芯片市場的定價權,但是紫光還需要提高產(chǎn)能才能實現(xiàn)自給自足,紫光的量產(chǎn)64層堆棧3D閃存,容量256Gb,TLC芯片,到2020年底,產(chǎn)能每月也才6萬片,與全球閃存芯片每月產(chǎn)能約為130萬片晶圓相比,今年內(nèi)國產(chǎn)閃存的產(chǎn)能占比不過3%而已。
三星、東芝、美光等公司今年在128層級別的3D閃存上,生產(chǎn)進度及產(chǎn)能上依然是領先的,目前,紫光要在2021年才能徹底趕上其他閃存大廠的產(chǎn)能,希望到時候國內(nèi)企業(yè)可以支持我們自己研發(fā)的閃存芯片。另外,紫光目前也在攻關內(nèi)存芯片,除了紫光,合肥長鑫也在攻關內(nèi)存芯片,合肥長鑫為了減少美國制裁威脅,它們重新設計了DRAM芯片,以盡量減少對美國原產(chǎn)技術的使用。
隨著紫光集團和合肥長鑫的雙拳齊出,中國在也不需要在存儲芯片領域看西方的眼色了。在半導體領域,中國會慢慢發(fā)展,從而構建屬于我們的半導體生態(tài)。
(責任編輯:fqj)
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