去年4月，國產儲存晶片廠商長江儲存（YMTC）宣佈其128層3D NAND 快閃記憶體研發成功。包括擁有業界最高單位面積儲存密度，最高I/O傳輸速度和最高單顆NAND 快閃記憶體晶片容量的1.33Tb 128層QLC 3D NAND快閃記憶體，以及512Gb 128層TLC快閃記憶體。
近日，國外權威研究機構Tech Insights對長江儲存的128層TLC 3D快閃記憶體進行了晶片級的拆解，發現其儲存密度達到了目前業界最高的8.48 Gb/mm²，遠高於三星、美光、SK海力士等一線NAND晶片大廠。
據介紹，Tech Insights拆解的是Asgard（阿斯加特）的PCIe4.0 NVMe1.4 AN4 1TB SSD，其內部採用的正是長江儲存的128層TLC 3D NAND 快閃記憶體晶片，這也意味著長江儲存128層TLC 3D NAND 快閃記憶體晶片已量產。該SSD硬碟的PCB上總共四顆256GB NAND快閃記憶體，單個封裝內是4顆晶片，也就是說單顆晶片容量為512Gb。該NAND快閃記憶體的型號為YMN09TC1B1HC6C（日期程式碼：2021 9W）。
△長江儲存512 Gb 128層3D TLC NAND 晶片的外觀，型號為YMN09TC1B1HC6C
根據長江儲存此前公佈的資料顯示，在傳統3D NAND架構中，外圍電路約佔芯片面積的20~30%，這也使得晶片的儲存密度大幅降低。而隨著3D NAND技術堆疊到128層甚至更高，外圍電路所佔據的芯片面積或將達到50%以上。而Xtacking技術則是將外圍電路置於儲存單元之上，從而實現比傳統3D NAND更高的儲存密度。
所以，長江儲存512Gb 128層Xtacking 2.0 TLC晶片同樣也是採用了兩個晶圓來整合3D NAND，因此拆解後可以找到兩個die，一個用於NAND陣列的die，另一個用於CMOS外圍電路的die。
△長江儲存512 Gb 128層Xtacking 2.0 3D TLC NAND die標記 （ CDT1B）
△長江儲存512 Gb 128層Xtacking 2.0 3D TLC NAND晶片COMS外圍的die標記（CDT1A 或 CDT1B）
作為對比，上一代的64層 Xtacking 1.0架構的TLC NAND die標記為（Y01-08 BCT1B） 和 CMOS外圍電路die 標記為（Y01A08 BCT1B）。
根據Tech Insights的實測，長江儲存512Gb 128層Xtacking 2.0 TLC的die尺寸為60.42mm²，這也意味著其單位密度增加到了8.48 Gb/mm2， 比 256Gb 64層的Xtacking 1.0 die 高出了92% 。讀取速度達到了7500 MB/s，寫入速度也高達5500 MB/s。
△長江儲存512Gb 128層Xtacking 2.0 TLC NAND的die平面圖
CMOS外圍電路die則集成了頁緩衝器、列解碼器、電荷泵、全域性資料通路和電壓發生器/選擇器。
△長江儲存512Gb 128層Xtacking 2.0 TLC NAND晶片的CMOS外圍電路die平面圖
Tech Insights稱，長江儲存128層Xtacking 2.0單元體系結構由兩個透過層介面緩衝層連線的層組成，這與KIOXIA 112L BiCS 3D NAND結構的過程相同。單元大小、CSL間距和9孔VC佈局與以前的64L Xtacking 1.0單元保持相同的設計和尺寸（水平/垂直方向間距）。門的總數為141（141T），包括用於TLC操作的選擇器等。
△垂直方向的長江儲存3D NAND單元結構，以及註釋為32L（T-CAT帶39T）、64L（Xtacking 1.0帶73T）和128L（Xtacking 2.0帶141T）的門的總數。
Tech Insights表示，長江儲存128層Xtacking 2.0上層有72個鎢閘門，下層有69個閘門。包括BEOL Al、NAND die和外圍邏輯管芯在內的金屬層總數為10，這意味著與64L Xtacking 1.0工藝整合相比，外圍邏輯管芯中增加了兩個銅金屬層。通道VC孔高度增加一倍，為8.49µm。
△長江儲存三代3D NAND的比較：Gen1（32L）、Gen2（64L，Xtacking 1.0）和Gen3（128L，Xtacking 2.0）。
與三星 （V-NAND）、美光 （CTF CuA） 和 SK海力士（4D PUC） 的現有128層512 Gb 3D TLC NAND 晶片的die尺寸相比，長江儲存512Gb 128層Xtacking 2.0 TLC NAND晶片的die尺寸更小，單位密度最高。
長江儲存128層TLC NAND die平面佈置圖和兩層陣列結構與美光和SK海力士相同，但長江儲存的每個字串的選擇器和虛擬WL數為13，小於美光和SK 海力士（兩者均為147T）。由於長江儲存所採用的Xtacking混合鍵合方法，使得其使用的金屬層數量遠高於其他產品。
△128層512 Gb 3D TLC NAND產品的比較，包括剛剛釋出的YMTC 128L Xtacking 2.0 3D NAND。
從上面的對比資料來看，長江儲存512Gb 128層Xtacking 2.0 TLC NAND晶片的單位儲存密度達到了8.48b/mm²，遠高於三星的6.91Gb/mm²、美光的7.76Gb/mm2、SK海力士的8.13Gb/mm²，達到了目前業界最高單位儲存密度。
目前長江儲存Xtacking 2.0架構的512Gb 128層TLC NAND晶片已量產。雖然三星、SK海力士、美光等廠商也在致力於開發176層3D NAND快閃記憶體晶片，但是他們目前最先進的量產產品還是128層。
作為一家成立僅數年的國產NAND Flash快閃記憶體晶片廠商，長江儲存在國外巨頭已領跑數十年的儲存技術領域，能夠在如此短的時間內追趕上來，並且取得技術上的領先，實屬不易。
編輯：芯智訊-浪客劍 資料來源：Tech Insights
