美光凭借176层NAND保持3D NAND领先优势

2020年11月，内存和存储解决方案领先供应商Micron Technology Inc.（美光）宣布推出全球首款176层3D NAND闪存，一举刷新行业纪录，实现了闪存产品密度和性能的重大提升。得益于在性能、容量、尺寸和成本上的优势，美光176层3D NAND闪存能够满足数据中心、智能边缘平台和移动设备等一系列应用不断提高的存储需求。近日，21IC邀请到美光的技术专家向读者详细解读了176层 3D NAND闪存背后的技术亮点。

1.近年来，美光越来越重视NAND闪存技术。请向我们介绍一下美光NAND闪存技术有哪些创新？

40多年来，从DRAM到闪存，包括NAND和NOR，美光一直是存储技术领域的行业专家。2015年，美光和英特尔率先推出了创新的3D NAND闪存技术，与其他量产的NAND裸片相比，该技术实现了当时业界的最高容量。3D NAND的数据存储单元是一层一层垂直堆叠的，这使得存储器的设计方式发生了根本性的转变。由于容量通过存储单元的垂直堆叠来实现，单个存储单元的尺寸因而能有很大提升。这一创新同时提高了NAND闪存的性能和续航，同时也降低了成本。此后，美光不断推动3D NAND技术的演进，从最初的32层设计发展至业界领先的176层设计。与此同时，美光继续使用创新的CMOS阵列下（CuA）技术，在提升容量和性能的同时，增加了设计的灵活性。

2.为什么美光会在3D NAND中采用CMOS阵列下（CuA）技术？

2015年，美光与英特尔合作，将CMOS阵列下技术引入NAND存储市场。这一工艺即在逻辑阵列上构建闪存层，那么在设计NAND闪存芯片时，NAND存储器电路区域就不再需要为CMOS逻辑留出空间。生产中NAND裸片尺寸也因此减小，从而增加了单位面积中的总存储容量。凭借CuA技术，3D NAND的生产设计在容量提升上获得了更大的灵活性，产生了更多创新，也使具有成本优势成为可能。

3.最初的3D NAND产品是基于传统浮动栅极NAND架构。为什么美光最近要从浮动栅极设计转向3D替换栅极（RG）技术？

替换栅极（RG）NAND是一种创新的存储架构，有助于满足不断增长的存储需求。使用RG NAND使性能、电源效率和容量的限制均得以消除，这是存储技术的重要变革。与传统浮动栅极NAND相比，美光3D RG NAND能提供更长的耐久寿命、更高的电源效率、更大的存储容量和更快的性能。

4.能否介绍一下美光176层3D NAND技术的重要性？

美光的176层NAND是3D NAND技术的又一个重要里程碑，因为采用这一技术的闪存密度接近第一代3D NAND闪存的10倍。美光新的176层技术和其先进的架构代表了一项重大突破，使数据中心、智能边缘平台和移动设备等一系列存储应用从中受益，实现了性能上的巨大提升。

美光的176层NAND采用了美光第五代3D NAND技术和第二代替换栅极架构，是市场上最先进的 NAND技术节点。与美光的上一代大容量3D NAND相比，176层NAND将数据读取和写入延迟缩短了35%以上，极大地提高了应用的性能。此外，美光的176 层 NAND继续使用创新的CMOS阵列下设计（CuA），这种架构使其更具有成本优势。

5.与其他新技术相比，为什么美光能够在如此短的时间内将176层NAND从设计阶段快速应用到生产阶段？

美光长久以来在推动新设计快速投放市场方面有着优良传统。美光正在与业界开发者合作，将新产品快速集成到解决方案中。其中一种加速量产的途径是简化固件开发。美光 176 层 NAND 提供单流程编程算法，使集成更为简便，从而加快上市速度。此外， 176 层 NAND的接口符合ONFI（开放式NAND闪存接口）协议，美光为新特性增加了向后兼容能力。得益于这种向后兼容性，可以更稳健且快速地将新产品集成到解决方案。

6.3D NAND的堆叠层数从64提升到96，再到128，为什么最新一代的层数是176？

3D NAND的层数并没有行业“标准”，层数的确定一般因闪存供应商而异。不过，行业的顶级闪存供应商大多从96层提升到128层，再到176层，大约增加了1/3，这与平面硅节点占节点面积的减少是一致的。

7.采用176层NAND和PCIe 4.0的固态硬盘（SSD）能带来哪些升级的用户体验？

PCIe 4.0将SSD与主机之间每通道的最大IO带宽提高了一倍。美光的176层NAND增加了读写带宽，并提高了从裸片到SSD内控制器的最大IO速度。这种组合为能够充分利用带宽的应用带来了最佳性能。

8.哪些细分市场将受益于美光的176层NAND技术？

美光的176层NAND技术使产品的容量和续航同时得到显著提升，尤其受益各种写入密集型应用，例如航空航天领域的黑匣子及视频监控录像等。在移动存储中，176 层NAND的替换栅极架构可将混合工作负载性能提高15%，从而更好地支持超快速边缘计算、增强型人工智能推理，以及高品质图像显示的实时多人游戏。我们期待176层NAND技术能够广泛应用于各式各样的电子设备中（包括云存储的基本构建块）。

9.展望未来，3D NAND技术垂直堆叠的层数是否会有极限？堆叠更高层数面临着哪些挑战？美光NAND闪存的未来计划是什么？

与所有技术一样，当前的3D NAND架构对层数最终会有极限。随着时间的推移，需要进一步的创新来实现更高的堆叠层数。此外，在实际生产中，制造成本和良率损失有朝一日也会阻碍层数的提升。然而，美光将在未来几代产品中继续保持3D NAND的扩展性，以及成本的降低。我们已经在为176层的下一节点进行早期开发，并为后几代产品进行技术探索。此外，我们还将致力于扩大QLC（四级单元）的领导地位，以加速固态硬盘取代普通硬盘（HDD）的进程。