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.