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[2022年技术周]乘NAND闪存技术之风 拓展存储解决方案

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三星在 2013 年开发并生产 V-NAND以来，带动了存储器行业的变革，快速确立其市场地位，并以开发高效能 TLC（3层存储单元）SSD而闻名。 在首次推出 V-NAND 产品 10 年之后，三星现在推出第八代 V-NAND (V8)。在此期间，得益于定义三星 V-NAND 产品的四大核心价值，NAND 闪存取得了长足的发展。首先是比特的增加，这对于需要更大生产率的人工智能 (AI)、自动驾驶、5G 和云服务等领域都至关重要。其次是性能，这关系到我们在日常生活中使用设备，频率越高，对高速性能的追求也将越高。 第三个价值在于功耗，第四个价值是质量，这一点尤其重要，因为产品的质量越高，在质量保证方面可以节省的时间和精力也越多。这些价值直接与总体拥有成本 (TCO) 相关，并直接影响 NAND 闪存的增长。 如今，V-NAND 的堆栈厚度与三星开始进军该市场时相比增加了 10 倍，从 24 层增加到 236 层，比特密度（bit density）也提高了 15 倍。近年来，从 V2 TLC 开始，V-NAND 的速度提高了近一倍，I/O 速度也提高了三倍。为满足不断增长的市场需求，1Tb（1万亿字节） 和 512Gb V8 V-NAND 版本也已经面世。目前，三星正准备开始 1Tb TLC 量产，并在年底向客户开放。
The yearly increase in bit growth and high-performance trend graph of Samsung Electronics V-NAND
The yearly increase in bit growth and high-performance trend graph of Samsung Electronics V-NAND
通过 TLC 实现价值与性能的双结合 行业已正式迈入“外设单元”(COP，cell over peripheral) 时代，这是高密度产品发展的关键时刻。整个外设阵列都需要与底层单元阵列相互契合，由于 512 个单元阵列比外设阵列的收缩速度更快，因此这一点很难实现。但三星成功克服了这些挑战，开发出比特密度处于行业高水平的 512 TLC 解决方案，比特密度相比上代产品提高了42%。 三星实现这一成果的目标不仅是为了提供行业高水平的比特密度，同时也是要提供具有先进性能的产品。三星 V8 解决方案实现了高达 2.4Gbps 的I/O 速度，与 V7 相比提高了 20%。随着数据中心越来越依赖 AI 和机器学习等技术，这些高速接口的重要性也在不断提升。
每一代新NAND都不可避免会消耗更多的能源。随着能效在行业的重要性与日俱增，三星努力通过 V8的技术改进来解决这一问题。与上一代产品相比，三星成功将读/写功耗降低了约 14%，并立志继续开发行业先进的低功耗产品。V9 V-NAND将意味着通过更先进的多孔方案，大幅提高比特密度，降低功耗需求，保持先进的 I/O 速度。 通过 QLC 开拓新市场 随着 TLC 的增长速度渐渐放缓，三星一直在努力向 QLC（四层存储单元）技术转型。努力的成果将会重新定义 QLC 的性能限制。V7 QLC 的读取速度相比 V5 提高了 2.1 倍，而三星 TLC 缓存技术的推出，将 TLC 写入速度减少了 10%。三星正将这些奇妙的进步应用到 V9 QLC 的开发中，这有可能将比特密度提高80%以上。V9 QLC 将成为一种更高速的接口，I/O 速度显著提高至到 2.4Gbps。此外，这将为具有与TLC类似性能的新市场打开大门，帮助促进NAND的总体增长。
Samsung Electronics V-NAND QLC bit density, read throughput, IO speed improvement trend graph
Samsung Electronics V-NAND QLC bit density, read throughput, IO speed improvement trend graph
三星计划在 2024 年开始量产 V9 QLC，同时也将继续满足 QLC 和 TLC产品的市场需求。这将有助于协助客户在遇到各种各样的挑战时，依然能找到合适的解决方案。 解锁超越千层堆栈的未来 随着 V-NAND 的发展，其比特密度也在持续增长。不过，除非行业找到可行的途径，使堆栈层数可以达到 1,000 层以上，否则这种增长将难以为继。凭借数十年积累的专业，三星有望在 2030 年实现 1,000 层堆栈的技术目标。三星拥有行业先进的蚀刻技术，并且将与合作伙伴紧密合作，不断加强技术水平以解决堆栈方面的挑战。 三星还将采取措施优化堆栈，提高单元性能。这些措施包括降低堆栈高度，以解决随着厚度增加而产生的模具倾斜（mold leaning）的相关问题。它还涉及开发新的技术来防止单元电流减少，并解决因单元模具变薄导致的单元间干扰问题。此外，三星一直在制定基于其 1,000 层技术的 PCIe I/O 速度路线图，探索提高功率优化率并同时降低功耗的新途径。
Performance Roadmap
IO Speed
Samsung Electronics V-NAND input-output speed roadmap
Samsung Electronics V-NAND input-output speed roadmap
Write power
Samsung Electronics V-NAND write power improvement trend graph by generation
Samsung Electronics V-NAND write power improvement trend graph by generation
提高产品完整性 质量管理始终是成功的关键。在前 V-NAND 时代，关注的重点主要集中于单元阵列管理；在 V-NAND 时代，目标在于使用高纵横比触点 (HARC，highest-quality cell array) 工艺创造具有行业先进质量的单元阵列。现在，随着我们迈入COP时代，外设阵列的质量管理（quality management of peripheral arrays）也变得同样重要。在此领域，三星整合了自身晶圆代工、逻辑芯片、DRAM 和 NAND存储器等能力，优势十分明显。凭借在晶圆代工和逻辑芯片领域的技术优势，三星矢志不断攀登外设阵列管理的新高度。 三星已经收集了数据中心、企业级 SSD、移动、车载和其他应用的大量数据，并使用这些数据来构建先进的数据科学检查技术，涵盖从质量控制到基于深度学习的检测和特征优化等各个领域。借助这些技术，三星多个产品的缺陷率改进了 80%。直接掌控数据，使三星得以持续增强其 NAND 解决方案的质量，最终达到业内高质量水平的目标。 三星已准备好迎接NAND创新的新时代到来。同时三星愿意积极地倾听客户的意见，了解客户的需求，并提供相应的解决方案来支持客户的成功。这样做不仅有利于客户业务的成长，促进客户技术的发展，同时也将确保客户能够做好应对未来趋势的准备。 * 本文中的产品图片以及型号、数据、功能、性能、规格参数等仅供参考，三星有可能对上述内容进行改进，具体信息请参照产品实物、产品说明书或三星半导体官网(https://semiconductor.samsung.com/cn/)。除非经特殊说明，本网站中所涉及的数据均为三星内部测试结果，涉及的对比均为与三星产品相比较。
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