Как Samsung совершенствовала флеш-память V-NAND

Рассказываем историю развития технологии от 2D структуры до 1000 слоев

Флеш-память NAND позволяет записывать и хранить множество особенных моментов. Samsung Electronics постоянно работает над тем, чтобы на одном накопителе умещалось как можно больше таких моментов. Исполнительный вице-президент и глава подразделения продуктов и технологий флэш-памяти, Samsung Electronics Дзей Хюк Сон (Jaihyuk Song), рассказал, как Samsung работает над улучшением характеристик флеш-памяти.

Первое в мире решение с трехмерной вертикальной организацией чипов

Если вы посмотрите на крошечный полупроводниковый чип через электронный микроскоп, то увидите целую миниатюрную вселенную. Несмотря на толщину чипа всего в 1 мм, внутри него существуют миллионы тщательно спроектированных пространств для хранения огромных объемов данных.

На протяжении многих лет решения флеш-памяти NAND, предназначенные для хранения данных, имели двумерную (2D) структуру, в которой чипы тиражировались и укладывались на плоской поверхности. Но эти двухмерные структуры имели значительные ограничения с точки зрения объема данных, которые можно было в них хранить.

После масштабных исследований, призванных найти решение этой проблемы, Samsung впервые представила свою технологию флеш-памяти V-NAND (где буква «V» означает вертикальное расположение) – решение, в котором слои ячеек соединяются друг с другом через отверстия в вертикально организованном трехмерном пространстве. Samsung стала первой компанией в мире, которая разработала и выпустила на рынок такое решение для микросхем памяти.

Технология памяти 3D V-NAND дебютировала в 2013 году, создав совершенно новую парадигму полупроводниковой памяти, отличную от памяти с традиционной 2D структурой, которая десятилетиями доминировала в мире электронных хранилищ. Эту техническую трансформацию можно сравнить с ощущениями людей, которые привыкли жить в одно- или двухэтажных домах, и впервые переехали в квартиру в многоэтажном здании.

Технология V-NAND: экспертиза Samsung в области создания полупроводниковых решений

Сегодня решение V-NAND с революционной вертикальной объемной организацией чипов становится отраслевым стандартом.

Но в 2013 году Samsung произвела настоящий фурор, представив на рынке первое V-NAND решение из 24 слоев. Сегодня их количество увеличилось почти до двух сотен, и продолжает постоянно расти. Однако, как и в случае с многоэтажными домами, одним лишь увеличением количества слоев дело не ограничивается.

Возвращаясь к аналогии со зданиями, квартира должна быть просторной, но в то же время, по мере увеличения этажности, должна иметь прочные стены и быть всегда легко доступной – для этого в домах устанавливаются надежные скоростные лифты. Более того, необходимо учитывать уровень шума между этажами, при этом сама высота здания далеко не безгранична.

То же самое относится и к решению V-NAND. Даже если количество слоев одинаково, при более внимательном рассмотрении обнаруживаются незначительные различия в их функциональности и структуре. В мире полупроводников это может иметь первостепенное значение, поскольку даже малейшие различия могут привести к совершенно другому результату.

Самая компактная в мире ячейку памяти, ставшая доступной благодаря технологии однослойного травления (Single-Stack Etching)

Вернемся ненадолго в 2013 год.

Чтобы преодолеть ограничения, присущие планарной двухмерной организации полупроводников, Samsung разработала продукт, в котором ячейки объединены в трех измерениях. В то время, поскольку использовалась однослойная структура, у компании не было необходимости сразу учитывать высоту конечного продукта. Однако вместе с ростом спроса на интегрированные решения с высокой пропускной способностью росло и количество слоев, и инженерам Samsung приходилось учитывать физические ограничения, связанные с габаритами создаваемых микросхем.

Samsung первой задумалась над этой намечающейся проблемой высоты V-NAND и начала разрабатывать соответствующие решения раньше всех остальных производителей. Разработанная компанией 176-слойная микросхема V-NAND памяти 7-го поколения сопоставима по высоте с микросхемой V-NAND 6-го поколения, структура которой насчитывала чуть более сотни слоев. Подобные инновации стали возможны благодаря нашим успехам в разработке самых компактных в мире ячеек памяти.

Samsung удалось уменьшить объем ячейки на 35% за счет уменьшения как площади поверхности, так и ее высоты с помощью инновационной технологии 3D-масштабирования. Компания также научилась контролировать любые интерференции между ячейками, возникающие из-за уменьшения их размеров. Это позволило Samsung уместить больше слоев при меньшей высоте самой микросхемы, что обеспечило компании преимущества в преодолении предполагаемых ограничений.

Samsung – единственная компания в отрасли, обладающая технологией однослойного травления, которая позволяет ей объединять более 100 слоев одновременно и соединять их между собой с помощью более миллиарда отверстий. Благодаря сверхмалому размеру ячеек и запатентованной технологии однослойного травления, Samsung – единственная компания, способная предложить решения V-NAND, состоящие из нескольких сотен слоев ячеек.

Взгляд в будущее: решения V-NAND 7-го и 8-го поколений

Во второй половине этого года Samsung собирается продемонстрировать твердотельный накопитель (SSD) потребительского класса на базе своей микросхемы V-NAND 7-го поколения, решения с наименьшим в отрасли размером ячеек. Ожидается, что это решение V-NAND 7-го поколения будет соответствовать требованиям к производительности интерфейса PCIe как 4-го поколения (PCIe Gen 4), так и более позднего 5-го поколения (PCIe Gen 5), благодаря максимальной производительности ввода-вывода (I / O) на уровне 2,0 гигабит в секунду (Гбит/с). Более того, решение компании будет оптимизировано для многозадачности и для запуска ресурсоемких рабочих нагрузок, позволяя, например, одновременно осуществлять 3D-моделирование и редактирование видео.

Samsung также планирует расширить использование технологии V-NAND 7-го поколения и применять ее в твердотельных накопителях для центров обработки данных. Кроме того, чтобы побудить операторов центров обработки данных к снижению энергопотребления, решение Samsung будет обладать малым энергопотреблением и обеспечит повышение энергоэффективности на 16% по сравнению с решением 6-го поколения.

Сегодня компания уже получила рабочий чип своего решения V-NAND 8-го поколения с более чем 200 слоями ячеек и планирует выводить его на рынок по мере развития потребительского спроса.

Грандиозные перспективы технологии V-NAND от Samsung: более 1000 слоев

В полупроводниковой промышленности ничего не происходит случайно. Разработка ранее неизвестной технологии требует не только времени, но также огромных инвестиций и капиталовложений. Samsung смогла стать мировым лидером в полупроводниковой промышленности, даже несмотря на неудачи и другие проблемы, и сумела сохранить энтузиазм, настрой и чувство долга – именно это позволяет нам добиться лучшей жизни для всех, кто нуждается в подобных инновациях.

Так же, как и в случае первого поколения памяти V-NAND, представленного в 2013 году после более чем десяти лет исследований, компания станет первой, кто преодолеет ограничения по высоте, с которым еще предстоит столкнуться отрасли, и сумеет добиться этого благодаря своей технологии 3D-масштабирования. Даже в будущем, когда решения Samsung V-NAND будут состоять более чем из 1000 слоев, компания продолжит следить за тем, чтобы ее микросхемы памяти были самыми надежными в отрасли.

Новая парадигма расширенной реальности приводит к увеличению роли полупроводников

Сегодня мир переходит к новой парадигме расширенной реальности (XR), которая становится возможной благодаря быстрому развитию технологий. Фактически, пандемия значительно ускорила внедрение технологий XR в нашей повседневной жизни, и сейчас наступает новая эра, в которой пересекаются реальность и киберпространство. Более того, улучшение ИТ-устройств и технологий потребует совершенно нового подхода, который будет полностью отличаться от всего, что мы видели ранее, при этом роль полупроводников будет становиться еще более важной, чем когда-либо прежде.

Несомненно, Samsung будет продолжать свою работу, стремясь сделать общество лучше, и будет внедрять инновационные полупроводниковые продукты, основанные на мощных технологических достижениях. Таким образом, вы можете быть уверены, что драгоценные воспоминания, хранящиеся на ваших электронных устройствах, будут сохраняться еще очень долго.

Дзей Хюк Сон (Jaihyuk Song)