Intel и SK Hynix показывают два пути будущего флэш-памяти

Поскольку спрос на хранилища данных стремительно растет, производители полупроводников стремятся увеличить плотность микросхем памяти, одновременно снижая стоимость одного бита. Intel и SK Hynix представили два важных достижения, намекающих на более дешевые твердотельные накопители памяти с большей емкостью, на 70-й Международной конференции IEEE по твердотельным схемам (ISSCC), состоявшейся в Сан-Франциско в конце февраля.

Intel представила первый чип трехмерной флэш-памяти NAND, который хранит пять бит данных в каждой ячейке флэш-памяти NAND. Это на один бит больше, чем у накопителей с 4 битами на ячейку, которые сегодня имеются в продаже. 192-слойный чип имеет самую высокую плотность данных — 23 гигабита на квадратный миллиметр и может хранить до 1,67 терабит данных.

Тем временем корейская SK Hynix преодолела порог в 300 слоев с чипом флэш-памяти NAND емкостью 1 ТБ. Чип хранит 3 бита на ячейку (так называемая трехслойная ячейка, или TLC) и имеет самую высокую на сегодняшний день скорость записи — 194 мегабайта в секунду. Ранее у Samsung была лучшая пропускная способность записи — 184 МБ/с для флэш-памяти NAND с 3 битами на ячейку, которую они представили на выставке ISSCC 2021 года.

«Я считаю, что мы продемонстрировали лучшую плотность и пропускную способность записи для продукта TLC», — говорит Сынпил Ли, вице-президент отдела проектирования NAND компании SK Hynix.

Производители флэш-памяти NAND за последнее десятилетие перешли от 2D к 3D, чтобы выйти за рамки ограничений, связанных с уменьшением размера элементов. С тех пор они регулярно повышают плотность хранения данных, увеличивая количество слоев флэш-ячеек в чипе или увеличивая количество битов, хранящихся в каждой ячейке. Hynix и Intel пошли по этим двум противоположным путям: Hynix увеличил количество слоев, Intel уплотнила биты.

TLC сегодня является наиболее широко используемой флэш-памятью, хотя на рынке присутствуют чипы с 4 битами на ячейку. Ли говорит, что Hynix рассматривает возможность увеличения как количества слоев, так и количества бит на ячейку. По его словам, большее количество слоев обеспечивает более высокую производительность и битовую плотность в TLC. С другой стороны, увеличение количества бит на ячейку может привести к увеличению объема и удешевлению памяти, но это влияет на производительность, снижая скорость чтения и записи.

На Международной конференции IEEE по электронным устройствам в 2021 году председатель Samsung Кинам Ким предсказал, что к 2030 году станет возможной флэш-память с 1000 слоями. Это чрезвычайно сложная задача с точки зрения производства. Флэш-ячейки изготавливаются путем протравливания глубоких узких отверстий в чередующихся слоях проводника и изолятора с последующим заполнением отверстий диэлектриком и другими материалами. Надежное и быстрое травление и заполнение достаточно глубоких отверстий через все большее количество слоев является ключевым ограничением этой технологии.

По словам Ли, помимо проблем с изготовлением, когда количество слоев стека превышает 300, становится все сложнее улучшить производительность NAND-памяти. Это потому, что каждый слой в стопке приходится делать тоньше, что увеличивает сопротивление. Это приводит к ошибкам и снижает скорость чтения и записи. Компания Hynix использовала пять различных методов, чтобы преодолеть эти проблемы и добиться высокой пропускной способности записи за счет 300 слоев.

Intel заявляет, что смогла разработать свой новый чип высокой плотности с 5 битами на ячейку благодаря технологии ячеек NAND с плавающим затвором, которой она решила придерживаться. Эта конструкция хранит биты в проводящем слое. Большинство других производителей выбрали другую основную технологию фотовспышек — вспышку с ловушкой заряда, в которой заряды сохраняются в диэлектрическом слое, поскольку это снижает производственные затраты.

Переход к 5 битам на ячейку приводит к снижению выносливости и скорости. Чтобы преодолеть эту проблему, Intel внедрила специальные алгоритмы быстрого чтения. Кроме того, компания заявляет, что новый чип также может работать как в режиме 3 бита на ячейку, так и в режиме 4 бита на ячейку.

Micron Technology первой преодолела отметку в 200 слоев в прошлом году и теперь принимает заказы на свою технологию флэш-памяти с 232 слоями NAND, плотность хранения битов которой составляет 14,6 гигабит на квадратный миллиметр, что вдвое выше, чем у конкурентов магазин. Чтобы не отставать, SK Hynix заявляет, что в этом году начнет серийное производство своих 238-слойных чипов TLC NAND.