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.

2D материалы – ключ к преодолению проблем масштабируемости

SAIT занимается исследованием и разработкой двумерных (2D) материалов – кристаллических веществ, состоящих из одного слоя атомов. В частности, специалисты института работали над изучением и разработкой графена и добились революционных результатов в этой области – создали новый графеновый транзистор, а также новый метод производства монокристаллических пластин большой площади из чешуйчатого графена. Помимо этого, ученые SAIT заняты ускорением коммерциализации материала.

«Чтобы улучшить совместимость графена с полупроводниковыми процессами на основе кремния, выращивание пленок графена на полупроводниковых подложках должно осуществляться при температуре ниже 400 ° C, – рассказал Хён Чжин Шин, руководитель проекта по разработке графена и главный исследователь SAIT. – Мы также постоянно работаем над расширением сферы применения графена, не ограничиваясь полупроводниками».

Трансформированный 2D материал – аморфный нитрид бора

Недавно открытый материал под названием аморфный нитрид бора (a-BN) состоит из атомов бора и азота с аморфной структурой молекулы. Несмотря на то, что аморфный нитрид бора получают из белого графена, который включает атомы бора и азота, расположенные в гексагональной структуре, благодаря своей молекулярной структуре новый материал обладает уникальными отличиями от белого графена.

Аморфный нитрид бора имеет лучшую в своем классе сверхнизкую диэлектрическую проницаемость 1,78 с сильными электрическими и механическими свойствами и может использоваться в качестве межсоединительного изоляционного материала для сокращения электрических помех. Также было продемонстрировано, что материал в чешуйчатой форме можно выращивать при низкой температуре, всего 400°C. В связи с этим ожидается, что аморфный нитрид бора будет широко применяться в полупроводниках, таких как решения DRAM и NAND, и, особенно, в памяти следующего поколения для крупномасштабных серверов.

2012: графеновый барристор, триодное устройство с барьером Шоттки, управляемым затвором (SAIT, опубликовано в Science)

 

2014: чешуйчатый рост пластины монокристаллического монослоя графена на многоразовом водородно-терминированном германии (SAIT и Университет Сонгюнгван, опубликовано в Science)

 

2017: Реализация непрерывного монослоя углерода Захариасен (SAIT и Университет Сонгюнгван, опубликовано в журнале Science Advances)

 

2020: сверхнизкая диэлектрическая проницаемость аморфного нитрида бора (SAIT, UNIST и Кембриджский университет, опубликовано в журнале Nature)

---

 

Carbon Trust – всемирно признанный некоммерческий орган по сертификации, созданный британским правительством для ускорения перехода к устойчивой низкоуглеродной экономике. Сертфикация Carbon Trust присуждается только после тщательной оценки воздействия выбросов углерода и водопотребления на окружающую среду до и во время производственного цикла, опираясь на международные стандарты^[1].

«Мы очень рады, что наши передовые решения в области технологий памяти не только позволяют решать сложные задачи, но и обладают признанной экологической устойчивостью, – прокомментировал Пак Чхун Хун, исполнительный вице-президент и глава комплекса Giheung Hwaseong Pyeongtaek Complex компании Samsung Electronics. – Samsung продолжит создавать технологии памяти, сочетающие крайне малые размеры с высочайшим уровнем скорости, емкости и энергоэффективности для конечных пользователей во всем мире».

Инновационные полупроводниковые решения Samsung обеспечивают устойчивое производство:

Основанные на V-NAND пятого поколения (90+ слоев) накопители Samsung eUFS 3.0 емкостью 512 ГБ обладают оптимальной скоростью, энергоэффективностью и производительностью, гарантируя вдвое большую емкость и в 2,1 раза большую последовательную скорость четвертого поколения (64 слоя) V-NAND на основе 256 ГБ eUFS 2.1, требуя при этом на 30% меньше рабочего напряжения. Кроме того, V-NAND пятого поколения Samsung использует уникальную технологию литографии, которая пробивает более 90 слоев за один точный шаг. В связи с этим чип получает в 1,5 раза больше уложенных слоев, чем предыдущее поколение, а также размер чипа уменьшается на 25%. Такие инновации позволяют минимизировать общее увеличение углеродных выбросов и водопотребления при производстве каждого слоя модулей V-NAND.

На состоявшейся церемонии Министерство охраны окружающей среды Кореи также присвоило компании Samsung маркировки Экологической декларации продукции (EPD), отметив накопитель eUFS 2.1 емкостью 1 ТБ и V-NAND пятого поколения емкостью 512 ГБ.

Samsung намерена активно внедрять надежные, высокопроизводительные решения памяти во  многие флагманские смартфоны, а также продолжать укрепление отношений с глобальными партнерами для создания технологий памяти следующего поколения.

^[1] PAS 2050 для углеродного выброса и ISO 14046 для водопотребления

Экологический след Samsung eUFS 3.0 емкостью 512 ГБ (Carbon Trust):

* 13,4 кг CO₂ сравнимо с объемом углерода, поглощаемым двумя 30-летними соснами за год

 Полупроводниковые решения Samsung, получившие экологические сертификации: