拆解長江存儲128L 3D NAND:超車三星、美光?

作者 : TechInsights

在SK海力士、美光退出128層3D NAND之後,長江存儲(YMTC)於今年4月份宣佈推出128L堆疊的3D NAND快閃記憶體。與三星、美光和SK 海力士的現有128L 512Gb 3D TLC NAND產品相比,長江存儲128M NAND裸片尺寸更小,這使其位元密度最高,其製程在容量、位元密度和I/O速度方面佔據諸多優勢,並正迎頭趕上現有市場主導業者...

長江存儲(Yangtze Memory Technology Corp;YMTC)曾經宣稱其Xtacking架構在所有架構中密度最高、頻寬最大、反覆運算速度最快。

日前,拆解分析機構TechInsights拆解了Asgard Memory (嘉合勁威科技[Powev Electronic Technology]旗下品牌)搭載雙層PCB佈局的PCIe4.0 NVMe1.4 AN4 1TB SSD,發現這款產品搭載長江存儲的128層(128L) Xtacking 2.0 TLC NAND Flash。

根據Techinisights的反向工程分析指出,Xtacking架構旨在讓長江存儲最大化其記憶體陣列密度的同時獲得超快I/O,例如固態硬碟(SSD)的讀取速度為7500MB/s,寫入速度為5500MB/s。該晶片採用四平面設計,所有CMOS週邊電路(例如頁面緩衝器、列解碼器、電荷泵、全域資料路徑和電壓產生器/選擇器)都放置在3D NAND單元陣列晶片下方的邏輯晶片上。

Xtacking 2.0 TLC NAND Flash晶片的封裝標識,往往因SSD產品不同而異,例如YMN09TC1B1HC6C (日期代碼:2021 9W)或POWEV PYT02TV4IA1-X4PWA (日期代碼:2021 31W)。

YMTC 128L Xtacking

1YMTC 128L Xtacking 2.0封裝標記。

該1TB SSD由4個256GB NAND (YMTC)和2個512MB DDR4 (Nanya)元件組成,其中4顆NAND封裝於一個裸晶,這意味著它是一個512Gb晶片。

YMTC 128L Xtacking

2YMTC 128L Xtacking 2.0 512Gb NAND裸晶。

YMTC 128L Xtacking

3YMTC 128L Xtacking 2.0週邊CMOS晶片標記。

YMTC 64L Xtacking 1.0 TLC晶片,與NAND 晶片(Y01-08 BCT1B) 、 CMOS週邊晶片(Y01A08 BCT1B)的晶片標記略有不同。

YMTC 128L Xtacking裸片

三星電子(Samsung)的176L V-NAND和SK海力士(SK Hynix) 176L 4D PUC NAND SSD至今尚未在商用市場上出現,因而顯得更有意思。YMTC 512Gb 128L Xtacking 2.0 TLC晶片尺寸為 60.42 mm2。位元密度增加到8.48Gb/mm2,比Xtacking 1.0晶片(256Gb)更高92%。由於長江存儲Xtacking混合鍵合技術使用兩片晶圓來整合3D NAND,因此我們可以找到兩個裸晶,一個用於NAND陣列晶片,另一個用於CMOS週邊晶片。

4顯示長江存儲128L Xtacking 2.0晶片的NAND晶片佈局,5顯示CMOS週邊晶片佈局。Xtacking架構旨在讓長江存儲在最大化其記憶體陣列密度的同時獲得超快速I/O,例如SSD的讀取速度達到7500MB/s,寫入速度為5500MB/s。該晶片採用四平面設計,所有CMOS週邊電路(例如頁面緩衝器、列解碼器、電荷泵、全域資料路徑和電壓發生器/選擇器)都放置在3D NAND單元陣列晶片下方的邏輯晶片。

YMTC 128L Xtacking

4YMTC 128L Xtacking 2.0 NAND Die 平面佈局。

YMTC 128L Xtacking

5YMTC 128L Xtacking 2.0週邊CMOS晶片佈局。

YMTC 128L Xtacking 2.0規格和單元結構

YMTC 128L Xtacking 2.0單元結構由兩層電路板組成,透過層板介面緩衝層連接,採用與鎧俠(KIOXIA) 112L BiCS 3D NAND結構相同的製程。單元尺寸、CSL間距和9孔VC佈局則與先前的64L Xtacking 1.0單元結構保持相同的設計和尺寸(水平/垂直WL和BL間距)。總閘數為141 (141T),包括選擇器以及用於TLC操作的虛擬WLs。

YMTC 128L Xtacking

6YMTC 3D NAND單元結構從32L128L (WL方向的 x 截面 SEM影像)

6顯示YMTC 3D NAND單元在WL方向的結構,以及註解為32L (T-CAT與39T)、64L (Xtacking 1.0與73T)和128L (Xtacking 2.0與141T)的閘數。

上層有72個鎢閘,而下層則由69閘組成。包括BEOL Al、NAND裸片和週邊邏輯晶片在內的金屬層總數為10,這意味著與64L Xtacking 1.0製程整合相較,其週邊邏輯晶片中增加了兩個銅金屬層。通道VC孔的高度增加了1倍,為8.49微米(µm)。

1:長江存儲3D NAND元件的比較;包括Gen1 (32L)Gen2 (64L, Xtacking 1.0) Gen3 (128L, Xtacking 2.0)

相較於三星V-NAND、美光CTF CuA和 SK 海力士4D PUC現有的128L 512 Gb 3D TLC NAND產品,長江存儲的產品晶片尺寸更小,因而使其位元密度最高。四個平面晶片佈局圖和雙層陣列結構與美光和SK海力士相同,但每串選擇器和虛擬WL的數量為13個,比美光和SK海力士更小(另兩家均為147T)。由於其 Xtacking採用混合鍵合途徑,所使用的金屬層數遠高於其他產品。

2比較各種128L 512 Gb 3D TLC NAND產品,包括最新發佈的YMTC 128L Xtacking 2.0 3D NAND。

2:三星、美光、SK 海力士以及長江存儲的128L 512 Gb 3D TLC NAND產品比較

該報告的作者Jeongdong Choe認為, 從3D NAND發展的整體角度來看,長江存儲的產品看起來足以媲美其他主流廠商產品,並正快步趕上市場上的主導業者。

本文原刊登於EDN China網站,胡安編譯

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