NAND，280層
在今年的ISSCC上，三星希望推出迄今為止數(shù)據(jù)密度最高的新型NAND 閃存。據(jù)了解，三星屆時將會分享一篇題為《A 280-Layer 1Tb 4b/cell 3D-NAND Flash Memory with a 28.5Gb/mm² Areal Density and a 3.2GB/s High-Speed IO Rate》的演講，披露其下一代V9閃存。
如標(biāo)題所說，三星開發(fā)出了每單元 4 位的新一代 QLC NAND 閃存，據(jù)說其面積密度極高，達(dá)到每平方毫米 28.5 Gbit。這顯然將取代目前在這方面處于領(lǐng)先地位的長江存儲 (YMTC)，其 232 層 QLC NAND 容量為 19.8 Gbit/mm² 。從這個數(shù)據(jù)看來，即使是SK海力士宣布的超過300層和20.0 Gbit/mm²的高密度TLC-NAND，以及英特爾首款每單元5位和23.3 Gbit/mm²的PLC-NAND，都不記得三星新內(nèi)存的密度。
根據(jù)三星2022年的一份報告，三星基本上全力投入QLC開發(fā)。隨著 TLC 閃存架構(gòu)開始達(dá)到原始存儲容量的極限（就像之前的 SLC 和 MLC 一樣），QLC 代表了希望不斷突破主流消費 SSD 容量極限的 SSD 制造商的未來。它甚至可能會在未來進(jìn)入企業(yè)級SSD。
V9只是三星QLC路線圖的下一步。未來幾代產(chǎn)品的速度應(yīng)該會比 V9 更快，并且最終可以在原始性能方面與當(dāng)今即將推出的 TLC 閃存架構(gòu)直接競爭。
V9 的速度也不會慢，據(jù)報道，三星的 V9 QLC 的最大傳輸速率為 3.2 Gbps。這比其即將推出的僅提供 2.4 Gbps 的基于 QLC 的產(chǎn)品要快得多。過去，速度一直是 QLC 的一個根本問題，而三星的新款 V9 NAND 閃存表明，它已經(jīng)在解決這個問題方面取得了長足的進(jìn)步。V9 的速度為 3.2 Gbps（每個芯片），對于 PCIe SSD 來說應(yīng)該綽綽有余。當(dāng)然，它在實踐中的表現(xiàn)如何還有待觀察。
目前尚不清楚的是，當(dāng)直接以 QLC 模式寫入時，性能會如何擴(kuò)展。目前所有的 QLC SSD 都使用 pSLC 緩存，其容量高達(dá)總可用容量的 25%，性能顯著提高。根據(jù) NAND 的不同，一旦緩存已滿，我們通常會看到寫入速度下降至 100~300 MB/s。
如果性能足夠好，三星新款基于 QLC 的閃存將于今年晚些時候上市，可能會從根本上改變消費者 SSD 格局。QLC 仍然可能無法為高性能 SSD 提供服務(wù)，例如那些支持 PCIe 5.0 傳輸速度的 SSD，但它應(yīng)該非常適合較低層的 PCIe 驅(qū)動器。由于存儲密度領(lǐng)先近 50%，我們可以預(yù)期任何采用新型 V9 QLC 閃存的三星新硬盤都將提供具有競爭力的價值，并可能具有業(yè)內(nèi)最優(yōu)惠的每 GB 價格。
根據(jù)市場需求，三星甚至有可能提供容量超過 8TB 的 V9 QLC M.2 硬盤，這是目前消費類 M.2 硬盤中容量最高的。三星甚至有可能推出單面 8TB 硬盤。
近年來，三星多次強(qiáng)調(diào)QLC-NAND將繼續(xù)存在。到目前為止，緩慢的寫入速度一直是一個致命弱點，但這方面也應(yīng)該有進(jìn)步。高表面密度首先確保了一件事：降低制造成本，因為晶圓上安裝的位數(shù)越多越好。
GDDR7 VRAM：37 Gbps
GDDR（即圖形雙倍數(shù)據(jù)速率內(nèi)存，最初稱為 DDR SGRAM ——double data rate synchronous graphics RAM）則是三星這次展示的另一個亮點。這項技術(shù)的最新進(jìn)展是 GDDR7，三星在 2022 年技術(shù)日上首次公布了這一技術(shù)。
2023年7月，三星表示，該公司已完成業(yè)界首款圖形雙倍數(shù)據(jù)速率 7 (GDDR7) DRAM 的開發(fā)。并將在當(dāng)年剩下的時間將首先安裝在重點客戶的下一代系統(tǒng)中進(jìn)行驗證，推動圖形市場的未來增長，并進(jìn)一步鞏固三星在該領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)先地位。
三星表示，繼公司于 2022 年開發(fā)出業(yè)界首款 24Gbps GDDR6 DRAM 之后，該公司的 16 Gb GDDR7 產(chǎn)品將提供業(yè)界迄今為止最高的速度。盡管高速運行，集成電路 (IC) 設(shè)計和封裝方面的創(chuàng)新仍提供了更高的穩(wěn)定性。
“我們的 GDDR7 DRAM 將有助于提升需要出色圖形性能的領(lǐng)域（例如工作站、PC 和游戲機(jī)）的用戶體驗，并有望擴(kuò)展到人工智能、高性能計算 (HPC) 和汽車等未來應(yīng)用。”三星電子內(nèi)存產(chǎn)品規(guī)劃團(tuán)隊執(zhí)行副總裁 Yongcheol Bae 說道。“下一代圖形 DRAM 將根據(jù)行業(yè)需求推向市場，我們計劃繼續(xù)保持在該領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。”
三星進(jìn)一步指出，GDDR7 實現(xiàn)了令人印象深刻的 1.5 TBps 帶寬，是 GDDR6 1.1 TBps 的 1.4 倍，并且每個引腳的速度提升至高達(dá) 32 Gbps。這些增強(qiáng)是通過新內(nèi)存標(biāo)準(zhǔn)采用的脈沖幅度調(diào)制 (PAM3) 信號方法而不是前幾代的不歸零 (NRZ) 信號方法實現(xiàn)的。在相同的信令周期內(nèi)，PAM3 允許比 NRZ 多傳輸 50% 的數(shù)據(jù)。
值得注意的是，如三星所說，與GDDR6相比，最新設(shè)計通過針對高速運行優(yōu)化的省電設(shè)計技術(shù)，能效提高了20%。對于筆記本電腦等特別注重功耗的應(yīng)用，三星提供了低工作電壓選項。
為了最大限度地減少熱量產(chǎn)生，除了 IC 架構(gòu)優(yōu)化之外，三星在新一代的GDDR的封裝材料還采用了具有高導(dǎo)熱性的環(huán)氧模塑料 (EMC)。為此與 GDDR6 相比，這些改進(jìn)使GDDR 7熱阻大幅降低了 70%，即使在高速運行的條件下也有助于穩(wěn)定的產(chǎn)品性能。
但三星并不止步于此，在即將于2 月份在舊金山舉行的為期五天的2024 年 IEEE 國際固態(tài)電路會議上，三星將帶來新的GDDR7展示，屆時他們將帶來“A 16Gb 37 Gb/s GDDR7 DRAM with PAM3-Optimized TRX Equalization and ZQ Calibration”的論文。雖然沒有太多細(xì)節(jié)，但從標(biāo)題可以看到，三星已經(jīng)將GDDR 7的速度提升到了37 Gb/s 。
GDDR7 內(nèi)存將利用 PAM3 和 NRZ 信號，旨在實現(xiàn)每個引腳高達(dá) 37 Gbps 的數(shù)據(jù)速率。它的發(fā)展涉及提高信號傳輸速率和突發(fā)大小，而無需顯著提高存儲單元的內(nèi)部時鐘。這使得每個 GDDR 版本都可以提高內(nèi)存總線頻率，從而提高性能。
然而，隨著頻率增加變得復(fù)雜，業(yè)界正在探索其他解決方案。例如，GDDR6X 用 PAM4 編碼取代了傳統(tǒng)的 NRZ 編碼，從而有效地將數(shù)據(jù)傳輸速率提高了一倍。由于波特率降低，PAM4 還顯著減少了信號損失。
然而，GDDR7 將利用 PAM3 編碼，這是 PAM4 和 NRZ 信號之間的折衷方案。這使得每個周期的數(shù)據(jù)傳輸速率比 NRZ 更高，從而減少了對更高內(nèi)存總線頻率的需求。GDDR7 承諾比 GDDR6 更好的性能，以及比 GDDR6X 更低的功耗和實施成本。
由于采用 PAM3 信號而不是傳統(tǒng)信號方法，GDDR7 VRAM 預(yù)計不僅會在帶寬方面得到巨大改進(jìn)，而且還會在功耗方面（與 GDDR6/X 的性能水平相同）帶來巨大改進(jìn)。當(dāng)然，充分利用 GDDR7 仍然可以看到它使用與現(xiàn)代 GDDR6 配置相當(dāng)?shù)墓β剩皇敲客咝阅芨摺SB4 的下一個版本預(yù)計也將采用 PAM3 信號以降低功耗。
此外，GDDR7 還提供了優(yōu)化內(nèi)存效率和功耗的方法。這包括四種不同的讀取時鐘模式，使其僅在需要時運行。GDDR7 內(nèi)存子系統(tǒng)還可以并行發(fā)出兩個獨立的命令，從而優(yōu)化功耗。
至于其發(fā)布，GDDR7 預(yù)計將與AMD和NVIDIA的下一代 GPU 一起發(fā)布，時間很可能在今年晚些時候。
值得一提的是，預(yù)計今年 ISSCC 上將出現(xiàn)兩個版本的 GDDR7 VRAM：來自 SK hynix 的低功耗 35.4 Gb/s 每引腳 GDDR7，以及來自三星的更高功率 37 Gb/s 每引腳 GDDR7。而根據(jù) Micron 的說法，GDDR6X 每個引腳的帶寬大約為 19-24 Gigabits。
3D DRAM，提前下子
除了NAND 和GDDR，三星還公布了公司的3D DRAM布局。
3D DRAM是一種具有新結(jié)構(gòu)的存儲芯片，打破了當(dāng)前老化的范式。現(xiàn)有的DRAM產(chǎn)品開發(fā)側(cè)重于通過減小電路線寬來提高集成度，但隨著線寬進(jìn)入10 nm范圍，電容器電流泄漏和干擾等物理限制顯著增加。為了防止這種情況發(fā)生，引入了高介電常數(shù)（高K）沉積材料和極紫外（EUV）設(shè)備等新材料和設(shè)備。但半導(dǎo)體行業(yè)認(rèn)為，微型化制造10納米或更先進(jìn)的芯片將為芯片制造商帶來巨大挑戰(zhàn)。
據(jù)報道，三星電子已被證實已成立新的下一代內(nèi)存研發(fā)（R＆D）組織，以搶占通常被稱為“夢想內(nèi)存”的3D DRAM市場。據(jù)業(yè)內(nèi)人士透露，三星電子半導(dǎo)體（DS）部門最近在硅谷的半導(dǎo)體美國總部（DSA）設(shè)立了尖端存儲器研發(fā)機(jī)構(gòu)。該組織由三星電子 DS 部門首席技術(shù)官 (CTO) 兼半導(dǎo)體研究所所長 Song Jae-hyeok 領(lǐng)導(dǎo)，致力于 3D DRAM 的開拓性研究。
3D DRAM 被譽(yù)為內(nèi)存半導(dǎo)體行業(yè)的“游戲規(guī)則改變者”，有可能徹底改變?nèi)?DRAM 市場格局。雖然當(dāng)前的 DRAM 具有單元在單個平面上密集排列的 2D 結(jié)構(gòu)，但 3D DRAM 可以通過增加同一區(qū)域的密度來顯著提高性能，無論是水平放置單元并向上堆疊，還是使用雙層的垂直方法。
三星電子憑借2013年全球率先實現(xiàn)3D垂直結(jié)構(gòu)NAND商業(yè)化的經(jīng)驗，也計劃押注DRAM領(lǐng)域的3D。
去年3 月 10 日，在首爾 COEX 舉行的 IEEE EDTM 2023 上，三星電子半導(dǎo)體研究中心副總裁兼工藝開發(fā)辦公室負(fù)責(zé)人 Lee Jong-myung 表示：“3D DRAM 被認(rèn)為是半導(dǎo)體行業(yè)未來的增長動力。”負(fù)責(zé)SK海力士未來技術(shù)研究院的SK海力士副總裁Cha Seon-yong也在2023年3月8日表示，“到明年（2024）左右，有關(guān)3D DRAM電氣特性的細(xì)節(jié)將被公布，決定他們的發(fā)展方向。”
去年 10 月，在硅谷舉行的 2023 年三星內(nèi)存技術(shù)日上，內(nèi)存業(yè)務(wù)總裁 Lee Jeong-bae 宣布，“我們將率先在 10 納米以下的 DRAM 中引入 3D 垂直新結(jié)構(gòu)。”他們聲稱 ，10 納米以下 DRAM 的新結(jié)構(gòu)將允許單芯片容量超過 100 GB。
業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，最先開發(fā)并量產(chǎn)3D DRAM的公司將在下一代DRAM市場中占據(jù)領(lǐng)先地位，這與NAND閃存市場中的層競爭相呼應(yīng)。
3D DRAM 領(lǐng)域的技術(shù)競爭也在加劇。據(jù)半導(dǎo)體技術(shù)分析公司TechInsights稱，內(nèi)存半導(dǎo)體市場排名第三的美光正在積極準(zhǔn)備藍(lán)海市場，到2022年8月已獲得30多項3D DRAM專利技術(shù)。相比之下，三星在3D DRAM方面僅擁有15項相關(guān)專利，SK海力士更是只有大約10項。
除了上述技術(shù)以外，HBM也是三星的重點，這也是美光和SK海力士正在大力投入的領(lǐng)域。
【來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察】
