Компания SK hynix, как владелец бывшего подразделения Intel по производству флеш-памяти 3D NAND, представила интересную новинку — твердотельный накопитель Solidigm D7-P5810 на памяти SLC для интенсивных нагрузок записью. Нюанс в том, что память SLC не производится около пяти лет и компании пришлось пойти на хитрость, чтобы выпустить SSD с характеристиками, свойственными SSD на флеш-памяти с одноуровневой записью.

Источник изображений: Solidigm

Флеш-память с одноуровневой записью позволяла рекордного много перезаписывать каждую ячейку памяти и давала делать это максимально быстро, поскольку контроллер не был обременён расчётами, связанными с оценкой нескольких уровней заряда в ячейке, как это происходит в случае TLC- или QLC-памяти с тремя и четырьмя уровнями напряжения (заряда). После отказа от выпуска SLC-памяти, которая по цене и плотности записи не могла конкурировать с памятью TLC и QLC, компания Intel попыталась заменить память SLC решениями в виде буферов на памяти 3D XPoint (продукция Optane). Но Optane умер, а определённая потребность в быстрой флеш-памяти никуда не делась.

Для решения вопроса повышения скорости записи и для увеличения ресурса по количеству циклов перезаписи производитель «оптимизировал» выпускаемую ранее 144-слойную память QLC и превратил её в память SLC, что технологически сделать несложно. Ресурс памяти и накопителя автоматически повысился, а работа контроллера и всех операций ускорилась. На такой памяти накопитель SSD D7-P5810 способен вести журналы и поддерживать критически важные для скорости выполнения операции, в частности, связанные с записью данных на флеш-носители.

В своём стремлении представить скоростной накопитель на псевдо памяти SLC, способный заменить накопители Optane, Solidigm не одинока. Ранее такую же «оптимизацию» со 176-слойной памятью 3D NAND проделала компания Micron, начав поставки SLC-накопителя XTR NVMe (конкурент A в таблице со сравнительными характеристиками) и компания Kioxia (конкурент B в таблице со сравнительными характеристиками), выпустившая SLC-накопитель FL6. Та или иная оптимизация микрокода прошивки обеспечивает накопителям набор необходимых характеристик. Например, SSD XTR NVMe Micron нацелен на работу с обработкой тяжёлых данных, а SSD D7-P5810 Solidigm решает задачи кеширования и аналогичные, когда операции записи становятся наиболее критичными.

Solidigm D7-P5810 представлен 800-Гбайт накопителем в форм-факторе U.2 с интерфейсом NVMe (PCI Express 4.0 x4). Модель ёмкостью 1,6 Тбайт выйдет в первой половине 2024 года. Заявленные линейные скорости чтения и записи соответственно достигают 6400 и 4000 Мбайт/с. На случайных операциях при максимальной глубине запроса производительность при чтении достигает 865 тысяч IOPS, а при записи — 495 тысяч. В последнем случае задержки лежат пределах 10–15 мкс, а при случайном чтении они не выше 53 мкс.

Накопитель D7-P5810 Solidigm допускает 50 полных перезаписей ёмкости в сутки. По подсчётам производителя, это оптимальное предложение, способное быть альтернативой продукции Optane, ресурсы которой обычно были не востребованы в полном объёме. Это же касается заявленной производительности D7-P5810 Solidigm. Иными словами, новый накопитель для кеширования, ведения логов и других буферных задач не предложит ничего лишнего при сбалансированных характеристиках и относительно небольшой стоимости.

В октябре прошлого года санкции США ограничили поставки в КНР оборудования, позволяющего выпускать твердотельную память с количеством слоёв более 128 штук, а представившая за два месяца до этого свои 232-слойные чипы 3D NAND китайская компания YMTC для поддержания производственной деятельности теперь вынуждена искать замену американскому оборудованию и специалистам, которые его обслуживают.

Источник изображения: Handout

Об этом со ссылкой на собственные источники рассказывает ресурс South China Morning Post, напоминая, что в декабре прошлого года торговые санкции США распространились адресно на саму компанию YMTC. В совокупности с октябрьскими санкциями, введёнными ранее, это привело к тому, что китайский производитель памяти начал терять доступ к оборудованию американской марки Lam Research, а также специалистам с американским гражданством, которые это оборудование на предприятиях YMTC ранее могли обслуживать. Компании пришлось сократить объёмы поставок продукции и задержать введение в строй второго предприятия по обработке кремниевых пластин в Ухане.

В марте текущего года YMTC получила от государственного фонда КНР около $7 млрд капитала, которые смогла направить на снижение степени зависимости от американского оборудования и специалистов. Сейчас компания активно ищет китайских поставщиков оборудования, которое смогло бы компенсировать американские санкции, а также пытается наладить схему привлечения специалистов необходимой квалификации к обслуживанию уже имеющегося оборудования. Помимо прочего, YMTC ищет поставщиков электростатических захватов, которые используются для переноса кремниевых пластин в процессе их обработки. Одна из пекинских компаний, имя которой не раскрывается, станет партнёром YMTC по разработке «импортозамещаемого» оборудования для производства флеш-памяти. К обслуживанию эксплуатируемого оборудования YMTC пытается привлечь компании из-за пределов США.

Издание DigiTimes со ссылкой на Seoul Economic Daily сообщает, что компания Samsung Electronics будет готова со следующего года начать массовое производство трёхмерной флеш-памяти 9-го поколения с архитектурой двойного стека. Для сравнения, в 321-слойных микросхемах 3D NAND компании SK hynix, старт массового производства которых запланирован на первую половину 2025 года, используется архитектура тройного стека.

Источник изображения: Samsung

Чипы Samsung 3D V-NAND 9-го поколения с более чем 300 слоями будeт выпускаться с использованием метода двойного стекирования, который Samsung впервые применила в 2020 году при производстве 176-слойных микросхем 3D NAND 7-го поколения. Метод подразумевает создание одного стека 3D NAND на кремниевой пластине диаметром 300 мм, а затем последующее наслоение второго стека поверх первого. На основе чипов флеш-памяти высокой плотности с более чем 300-ми слоями производители смогут создавать недорогие твердотельные накопители или удешевлять SSD, уже представленные на рынке.

Что касается той же SK hynix, то компания ранее озвучила планы начать производство 321-слойной 3D NAND-памяти в 2025 году, используя архитектуру с тремя стеками. Производство этих микросхем отличается от метода Samsung и подразумевает соединение трёх отдельных наборов слоёв. С одной стороны, производство такой памяти будет требовать больше шагов и потребует больше материалов по сравнению с конкурентом, однако такой подход призван повысить уровень выхода годных чипов, поскольку производить стеки флеш-памяти с меньшим количеством слоёв проще.

Утечки дорожных карт Samsung предполагают, что компания после завершения цикла производства 3D NAND 9-го поколения может воспользоваться методом тройного стека для выпуска 430-слойных микросхем 3D NAND 10-го поколения. Некоторые эксперты в разговоре с изданием Seoul Economic Daily предположили, что производство чипов флеш-памяти 3D NAND с более чем 400 слоями потребует архитектуры тройного стека из-за возможных проблем с процентом выхода годных микросхем. Разумеется, это увеличит объёмы использующегося сырья и другие затраты в расчёте на одну пластину.

В 2022 году Samsung заявила, что рассчитывает выйти на производство 1000-слойных чипов флеш-памяти к 2030 году.

На саммите Flash Memory Summit (FMS) 2023 компания SK hynix первой в индустрии показала образец флеш-памяти с более чем 300 слоями. Так будет выглядеть будущее, когда интеллектуальные помощники станут вездесущими. Компания ещё не до конца завершила разработку новой и намного более плотной памяти, но обещает сделать это в течение следующего года, чтобы начать выпуск новинки в первой половине 2025 года.

Источник изображения: SK Hynix

Чипы 321-слойной флеш-памяти опираются на трёхбитовые ячейки памяти (TLC). Ёмкость одной микросхемы будет составлять 1 Тбит. Современная 238-слойная 3D NAND компании обладает вдвое меньшей ёмкостью — 512 Гбит. Переход от производства 238-слойной памяти к выпуску 321-слойной в пересчете на биты увеличит выход ёмкости с каждой кремниевой пластины на 59 %.

Первый доклад специалистов SK hynix о разработке 300-слойной памяти состоялся в марте этого года на конференции ISSCC 2023. Из представленных тогда документов следует, что 300-слойные микросхемы SK Hynix получат также улучшенную архитектуру, что неизбежно идёт за наращиванием числа слоёв и увеличением числа соединений, а также несколько видоизменённые сигналы управления и программирования. В своей совокупности это позволит увеличить пропускную способность памяти 3D NAND с 164 Мбайт/с до 194 Мбайт/с. Также возрастёт энергоэффективность решений за счёт более высокой плотности записи.

Наконец, компания призналась, что параллельно с разработкой 300-слойной памяти начала проработку интерфейсов следующего поколения, а именно PCIe 6.0 и UFS 5.0. Последний, как нетрудно догадаться, будет также использоваться для накопителей на 300-слойных микросхемах и не только. Чуть больше подробностей по 300-слойным флеш-чипам SK Hynix можно прочесть в архиве наших новостей за март.

На очередном годовом саммите по флеш-памяти, который традиционно проходит в августе, компания NEO Semiconductor, разработчик технологий для производства флеш-памяти 3D NAND и оперативной памяти 3D DRAM, представит фирменные технологии во всём объёме. Глава компании лично выступит перед элитой производителей флеш-памяти, надеясь убедить их в назревших революционных изменениях.

Источник изображений: NEO Semiconductor

Американская компания NEO Semiconductor представила фирменную архитектуру и технологию производства многослойной флеш-памяти в 2020 году и аналогичную архитектуру для выпуска многослойной оперативной памяти DRAM в мае этого года. Компания имеет все необходимые патенты и технологии для организации массового выпуска чипов флеш-памяти и DRAM по её лицензии. Но у неё до сих пор нет клиентов и активное участие в работе Flash Memory Summit 2023 должно стать прорывом. У компании на мероприятии будет отдельный стенд и запланированы выступления перед аудиторией.

«Я с нетерпением жду возможности представить на Flash Memory Summit 2023 наши новые революционные архитектуры, которые создадут беспрецедентную ценность для полупроводниковых компаний, производящих продукты памяти, облачных провайдеров и корпоративных компаний, внедряющих решения для хранения данных, — сказал Энди Хсу (Andy Hsu), основатель и генеральный директор NEO Semiconductor и выдающийся изобретатель технологий, имеющий более 120 американских патентов. — Для преодоления проблем масштабирования срочно требуется новая структура DRAM, использующая 3D-дизайн. 3D X-DRAM — это высокоскоростное, высокоплотное, недорогое решение с низким уровнем брака, которое позволит создать новое поколение приложений и услуг будущего».

Многослойной памятью 3D NAND сегодня никого не удивишь. Наоборот, найти сегодня твердотельный накопитель с планарной флеш-памятью — это настоящее испытание. Но производители оперативной памяти не спешат с переходом на 3D. Поэтому на «флеш-саммите» NEO Semiconductor будет бить в 3D DRAM, явно выходя за рамки мероприятия.

Компания пока не раскрывает подробностей архитектуры многослойной оперативной памяти, говоря лишь об отказе от конденсаторов в ячейках и о переходе на технологию плавающего заряда FBC (floating body cell). Вероятно саммит внесёт больше ясности в этот вопрос. Но с чем точно не поспоришь, что планарная DRAM почти исчерпала варианты для наращивания плотности на единицу площади кристалла. В то же время приложения ИИ требуют кратного увеличения объёмов оперативной памяти и если мы не хотим, чтобы АЭС росли как грибы после дождя (а по другому сегодня мощнейшие центры по обработке данных питать нечем), то плотность чипов DRAM необходимо быстро увеличивать, что также сопровождается снижением потребления на единицу хранения данных.

Чтобы совсем не скатиться в тему оперативной памяти на саммите, представители NEO Semiconductor расскажут о преимуществах своей «многоэтажной» архитектуры для таких перспективных заменителей флеш-конструкций, как 3D NOR, 3D Ferroelectric RAM (FFRAM), 3D Resistive RAM (RRAM), 3D Magnetoresistive RAM (MRAM) и 3D Phase Change Memory (PCM). В любом случае, будет интересно.

Рынок флеш-памяти пока не достиг равновесия, поскольку предложение значительно превышает спрос, а цены закономерно падают. В этой ситуации готовность китайской компании YMTC повышать цены на свою продукцию типа 3D NAND выглядит странной, но если учесть все нюансы, то мотивы занимающего 5 % мирового рынка производителя можно понять.

Источник изображения: YMTC

Внутренний рынок Китая, по данным DigiTimes, поглощает до 20 % всей выпускаемой в мире памяти. Санкционное давление до сих пор играло на руку YMTC. Требования властей США прекратить поставки Китай оборудования, позволяющего выпускать микросхемы 3D NAND с количеством слоёв более 128 штук, которые вступили в силу в октябре прошлого года, пока не распространяются на деятельность Samsung и SK hynix на территории Китая, но если это случится, то конкурентов у YMTC на домашнем рынке станет меньше. Тем более, что и китайские власти запретили использовать память производства Micron Technology на объектах критически важной инфраструктуры, а это так или иначе тоже освобождает внутренний рынок КНР для YMTC.

В мае компания уже повысила, по данным источника, стоимость 128-слойных микросхем памяти объёмом 512 Гбайт с $1,4 до $1,5 за штуку, теперь цена готова вырасти до $1,6, и для периода снижения цен на мировом рынке данный вектор совсем не типичен. Конечно, санкции США призваны ухудшить положение YMTC за счёт ограничения доступа к технологическому оборудованию и расходным материалам, но против этих враждебных действий работают сразу два фактора. Во-первых, правительственные структуры помогают YMTC бороться с последствиями санкций. Во-вторых, компания успела накопить запасов оборудования и материалов на три года непрерывного производства 128-слойных микросхем типа 3D NAND.

Китайские власти заодно принуждают местные организации и компании переходить на использование отечественных комплектующих, поэтому проблем со спросом на продукцию у YMTC в обозримой перспективе не ожидается — что и позволяет ей сейчас повышать цены на свою флеш-память.

По условиям сделки между Intel и SK hynix, которая была заключена в 2020 году, корейская сторона должна выплатить американской компании $2 млрд до марта 2025 года, а также взять под полное оперативное управление предприятие в китайском Даляне, на котором производится флеш-память 3D NAND. Вопреки слухам, SK hynix не намерена продавать предприятие даже в сложившихся непростых условиях.

Источник изображения: SK hynix

В четвёртом квартале прошлого и первом квартале этого года выручка SK hynix на китайском рынке сократилась почти на 60 %, но регион продолжает оставаться для компании важнейшим рынком сбыта, формируя до 30 % общей выручки. Унаследованное от Intel предприятие SK hynix в Даляне сейчас способно выпускать память типа 3D NAND с 96 и 144 слоями, и последний тип продукции формально попадает под экспортные ограничения США, введённые в октябре прошлого года. SK hynix удалось договориться с американскими чиновниками о сохранении своей деятельности на территории Китая без изменений, но перспективы развития локального бизнеса на фоне общего кризиса на рынке памяти вызывают серьёзную обеспокоенность у отраслевых экспертов.

Предприятие в Даляне обеспечивает до 30 % объёмов выпуска памяти типа 3D NAND марки SK hynix, а предприятие в Уси отвечает за половину всего объёма производства памяти типа DRAM. Есть у корейского производителя и предприятие по упаковке микросхем памяти в Чунцине, поэтому от Китая он зависит не только с точки зрения сбыта своей продукции. На предприятии в Уси оперативная память производится по технологии 10-нм класса, и тоже может попадать под действие экспортных ограничений США, если они вступят в силу.

По слухам, сложное финансовое положение подталкивает SK hynix к распродаже непрофильных активов, но расставаться с предприятием в Даляне она не собирается даже в таких непростых условиях. Прежде всего, представители компании в интервью Business Korea опровергли слухи о готовящейся продаже предприятия. С мая прошлого года компания ведёт в Даляне строительство нового предприятия по выпуску памяти, и сейчас собирается приступить к оснащению готового корпуса технологическим оборудованием, пусть и с оглядкой на наличие доступных для этого инвестиционных ресурсов.

Основанная менее семи лет назад китайская компания YMTC в своём технологическом развитии начала приближаться к мировым лидерам в сфере производства памяти типа 3D NAND, но с прошлого года её начали ограничивать в закупках зарубежного оборудования новые санкции США. Теперь представители YMTC жалуются, что полученное от поставщиков оборудование буквально некуда девать, и его было бы неплохо сдать обратно.

Источник изображения: YMTC

Соответствующие заявления прозвучали из уст генерального директора YMTC Ченя Наньсяна (Chen Nanxiang) на отраслевом мероприятии в Шанхае, как отмечает Bloomberg в сегодняшней публикации. Он буквально заявил следующее: «Поставщики оборудования должны выкупить его обратно вместе с компонентами, которые мы приобретали на законных основаниях, если мы не сможем их использовать». Подобные опасения возникают у руководителя компании из-за наложенных на YMTC санкционных ограничений США. Зарубежному оборудованию требуется программное обеспечение, и если санкции не позволяют его эксплуатировать, то всё оборудование становится мёртвым грузом. Более того, уже эксплуатируемое оборудование нужно обеспечивать расходными материалами и запасными частями, а закупать их YMTC больше не может. Со стороны поставщиков было бы справедливым решением выкупить оборудование, которым компания не может пользоваться в условиях санкций, как считает руководство.

Санкции США против КНР в целом, как добавил Чень Наньсян, причиняют существенный вред глобальным цепочкам поставок. По его словам, стремление отдельных государств укрепить «национальный технологический суверенитет» лишь приведёт к появлению избыточных производственных мощностей, и подобная разрозненная по географическому принципу полупроводниковая промышленность не сможет состязаться по своей эффективности с глобальной и прозрачной с точки зрения границ. Без глобализации на прежние темпы роста отрасли можно не рассчитывать, как резюмировал глава YMTC, а потому достижение оборота в $1 трлн к 2030 году становится сомнительной целью.

«Правительство слишком сильно вмешивается, в процесс вклинивается слишком много политики», — дипломатично выразил своё недовольство глава YMTC. Он добавил, что цикличность развития отрасли формирует свои вызовы, но самую высокую степень неопределённости добавляет именно разрушение глобальных цепочек поставок.

Исполнительный директор компании Phison Кхейн-Сенг Пуа (KS Pua) заявил, что дальнейшее снижение цен на рынке чипов флеш-памяти NAND нецелесообразно и предупредил о возможном банкротстве некоторых поставщиков, если рынок не начнёт восстанавливаться, пишет издание DigiTimes. Несмотря на сложные рыночные условия, Phison по-прежнему сосредоточена на разработке контроллеров NAND и продолжит вкладывать значительные средства в создание новых продуктов.

Источник изображения: Phison

Согласно данным аналитиков, ведущие производители чипов флеш-памяти 3D NAND (Kioxia, Micron, Samsung, SK Hynix, и Western Digital) потеряли свыше $10 млрд, поскольку были вынуждены снизить цены на уже произведённые чипы флеш-памяти на фоне снижения на них спроса. Пуа утверждает, что дальнейшее снижение цен невозможно, и предупредил, что некоторые поставщики могут столкнуться с банкротством, если цены на микросхемы продолжат падать. Правда, он не уточнил, кто именно может оказаться в зоне риска неплатёжеспособности.

Глава Phison также предположил, что сейчас самое подходящее время для того, чтобы производители памяти 3D NAND снизили объёмы выпуска продукции для стабилизации или даже повышения цен на этот вид продукции. В частности, Пуа воспринял решение Micron о прекращении снижения цен на NAND, как коллективную попытку поставщиков стабилизировать рынок. Phison, разрабатывающая контроллеры памяти для одних из лучших твердотельных накопителей на рынке, намерена воздержаться от снижения цен на свою продукцию в будущем, чтобы сохранить свою валовую прибыль с долгосрочной целью на уровне 27 % (+/-3 %), продолжая при этом расширять свою долю рынка.

Выручка Phison по итогам первого квартала текущего года составила 10,078 млрд тайваньских долларов (около 328,64 млн долларов США), что на 18 % меньше, чем кварталом ранее. Из-за сокращения объёмов выпуска низкорентабельных продуктов и улучшения ассортимента валовая прибыль компании достигла 3,202 млрд тайваньских долларов, а маржа составила 31,78 %. Убытки компании от инвестиций в Hosin Global Electronics, поставщика твердотельных накопителей и других продуктов на основе NAND и DRAM, составили 550 млн тайваньских долларов.

Генеральный директор Phison считает, что выручка поставщиков чипов флеш-памяти NAND продолжит снижаться во втором квартале 2023 года. Однако он рассматривает это, как краткосрочную проблему, поэтому компания по-прежнему привержена сохранению своих инновационных преимуществ. Phison продолжит вкладывать значительные средства в исследования и разработки, выделяя на это более 80 % своего годового бюджета. Отмечается, что на фоне конкурентов, которые сократили расходы на новые исследования и разработки, Phison увеличила инвестиции в этом направлении на 20 %.

Сообщается, что на предстоящем симпозиуме VLSI 2023 в июне компании Kioxia и WD представят доклад о самой передовой на сегодня памяти 3D NAND с более чем 300 слоями. Также будут представлены технологии, которые увеличат скорость флеш-памяти, для чего был предпринят ряд мер, включая увеличение числа плоскостей в каждом слое — отдельно работающих массивов ячеек.

Общее представление о структуре многослойной 3D NAND. Источник изображения: Western Digital

Нетрудно понять, что партнёры пойдут по пути наращивания параллелизма в работе 3D NAND. Больше отдельных массивов ячеек на кристалле (плоскостей или планов) — больше данных можно будет обработать одновременно. Сегодня таких на кристалле традиционно две или четыре, но Kioxia и WD увеличили число плоскостей до восьми.

Но и это не всё! В новой памяти с 210 активными слоями (хотя этот же приём может быть реализован в недавно анонсированной 218-слойной 1-Тбит 3D TLC NAND) задействовано чтение двух соседних ячеек памяти одним синхроимпульсом (стробом). Партнёры называют этот подход «один импульс-два строба» и он также ведёт к росту пропускной способности новой памяти. В чистом виде это снижает общее время считывания памяти на 18 %.

Ещё одним новшеством стало внедрение гибридного декодера адреса строки (X-DEC). Новая память с восемью отдельными областями ячеек в каждом слое сильно уплотнила разводку, что могло повлечь за собой ухудшение задержек чтения. Также была ускорена передача данных между памятью и хостом благодаря сокращению области запроса данных в направлении X до 41 %. Декодер смягчает все эти последствия усложнения архитектуры и дизайна кристалла и снижает задержки до 40 мс, что даже лучше, чем у серийных 128-слойных чипов 3D NAND обеих компаний (у них этот показатель по 56 мс).

Как результат, параллелизм и улучшенная архитектура поднимают пропускную способность памяти с 210 слоями до 205 Мбайт/с. Правда, для этого, очевидно, придётся создавать довольно сложные контроллеры. Появляется риск того, что контроллер не справится с распределением нагрузки по восьми плоскостям в каждом слое, и по 210 слоям вверх, и это будет сопровождаться снижением производительности вместо её роста. Добавим, скорость работы по каждому контакту шины данных составит 3,2 Гбит/с — как и у штатной 218-слойной новой 3D NAND. Так что все эти находки уже могут быть реализованы в массово выпускаемых микросхемах.

Кроме разработки восьмиплановых структур партнёры представят решение для создания 3D NAND с более чем 300 слоями. Для этого необходимо увеличить длину вертикальных сквозных каналов и повысить их качество — оно должно быть хорошо с запасом для более «высоких» микросхем. Для достижения этих целей компании планируют использовать так называемый метод металлостимулированной латеральной рекристаллизации (MILC).

Для удаления примесей и устранения дефектов в канале используется силицид никеля. Компании создали на основе технологии опытный 112-слойный чип с 14-мкм отверстиями. Измерения показали, что шум чтения снижается минимум на 40 %, а проводимость канала увеличивается в десять раз, и все это без ущерба для надёжности ячеек. Память с более чем 300 слоями, кстати, также в виде проекта или даже прототипа представила компания SK Hunix и мы о ней тоже можем услышать на предстоящем симпозиуме.

Наконец, ожидается доклад компании Tokyo Electron. Этот производитель инструментов для травления собирается рассказать о методе быстрого травления более чем 10-микронных (10 мкм) вертикальных каналов для 400-слойных 3D NAND без чрезмерного потребления энергии или использования токсичных веществ. Утверждается, что технология диэлектрического травления High-Aspect-Ratio (HAR) использует криогенный этап изготовления пластин и новый химический состав газа для создания каналов высотой 10 микрон с «превосходным» профилем травления всего за 33 минуты и с уменьшенным на 84 % углеродным следом. Ждём подробностей.

В декабре 2021 года корпорация Intel договорилась о продаже бизнеса по производству флеш-памяти на территории Китая. Покупателем стала южнокорейская SK hynix, которая на тот момент рассчитывала превратить Далянь в свою главную производственную площадку по этому типу продукции (3D NAND). Теперь обстоятельства изменились, и второе предприятие компании в Даляне может так и не начать функционировать.

Источник изображения: SK hynix

Первоначально планировалось, что рядом с унаследованным от Intel предприятием Fab 68 в этом китайском городе со временем будет построено ещё одно, специализирующееся на аналогичном виде продукции. В конце прошлой недели южнокорейское издание The Elec сообщило, что необходимость снизить капитальные затраты на 50 % в текущем году и санкционное давление США на Китай вынуждают SK hynix задуматься о продаже корпусов строящегося предприятия в Даляне без оснащения его оборудованием для производства памяти. Строительство началось в мае прошлого года и должно было продлиться около двенадцати месяцев. Если бы всё шло по плану, то уже к маю текущего года SK hynix начала бы оснащать предприятие оборудованием.

Новые требования властей США к получателям субсидий на строительство локальных предприятий и экспортные ограничения, запрещающие поставку в Китай оборудования для производства памяти 3D NAND с количеством слоёв более 128 штук, вынуждают SK hynix задуматься о будущем всего своего китайского бизнеса. Пока компания получила освобождение от этих ограничений до октября текущего года. Если она всё же решит оснастить построенное предприятие в Даляне современным оборудованием, то ей придётся сделать это до октября. Если учесть, что переговоры с поставщиками на эту тему даже не ведутся, то сделать это в указанные сроки не удастся. Более того, функционирование китайского предприятия в будущем при условии сохранения санкций со стороны США будет осложнено, поэтому продажа производственных корпусов без установленного оборудования может стать для SK hynix разумной альтернативой.

В прошлом году компания YMTC была готова наладить выпуск 232-слойной памяти типа 3D NAND, фактически приблизившись по своим технологическим возможностям к зарубежным конкурентам, но санкции США лишили её доступа к современному импортному оборудованию. Решить эту проблему компания готова в рамках импортозамещения при поддержке государственного фонда КНР.

Источник изображения: YMTC, Handout

Об этом сообщило в минувшие выходные китайское издание South China Morning Post со ссылкой на собственные источники. По их словам, YMTC значительно усилила активность по получению доступа к новейшему технологическому оборудованию китайского производства, с помощью которого рассчитывает наладить выпуск памяти типа 3D NAND, использующего технологию компоновки Xtacking 3.0. Инициатива получила кодовое обозначение Wudangshan в честь священной горы в провинции Хубэй.

YMTC разместила крупный заказ на оборудование пекинской компании Naura Technology Group, которая специализируется на производстве решений для травления кремниевых пластин. С этой точки зрения оборудование Naura является альтернативой изделиям американской Lam Research, которая вынуждена ограничить сотрудничество с YMTC из-за введения санкций США.

Как отмечают источники, YMTC попросила отечественных поставщиков удалить свои логотипы с поставляемого оборудования, чтобы снизить риск расширения санкций на данный вид продукции. Пока на пути успешной реализации этой инициативы YMTC сохраняется ряд препятствий в виде отсутствия альтернативы импортному оборудованию по ряду технологических направлений. Например, китайскими аналогами сложно заменить метрологическое оборудование американской KLA, либо литографические сканеры нидерландской ASML или японских Canon и Nikon. Где будет построена экспериментальная линия по производству памяти YMTC с использованием китайского оборудования, не уточняется.

По словам представителей одного из китайских инвесторов, выявляемые в рамках этой инициативы «узкие места» позволят шаг за шагом создавать китайское оборудование, которое заменит собой импортное. YMTC уже получила около $7 млрд государственной поддержки, поэтому остаётся лишь направить эти средства в нужное русло. По некоторым данным, новая производственная линия на основе отечественного оборудования будет запущена YMTC в следующем году. До введения санкций в октябре прошлого года компания могла претендовать на 6 % мирового рынка твердотельной памяти.

В октябре прошлого года санкции США ограничили YMTC в доступе к оборудованию, позволяющему выпускать память более чем с 128 слоями, а к концу года компания попала в «чёрный список» профильных ведомств США, который не позволяет компаниям по всему миру сотрудничать с YMTC без получения экспортной лицензии в США, если речь идёт о поставках оборудования, использующего американские технологии.

Примечательно, что 232-слойная память производства YMTC фактически уже встречается в серийных твердотельных накопителях китайского производства. Другими словами, компания может выпускать соответствующие чипы в ограниченных количествах, и доступ к профильному оборудованию нужен ей преимущественно для масштабирования производства.

Источник сообщает, что исследователи японской компании Kioxia успешно испытали память NAND с записью в каждую ячейку 7 бит данных. О записи в ячейку 6 бит данных компания рассказывала летом 2021 года. Пока это эксперименты, но всё идёт к тому, что запись 6, 7 и даже 8 бит в ячейку со временем будет реализована в коммерческом кремнии.

Источник изображения: Kioxia

Пока для достижения столь высокой плотности данных в ячейке требуются криогенные температуры. Контроллеру памяти необходимо записать и распознать 128 уровней заряда (порогового напряжения) в одной ячейке, чтобы работать с записанными в неё 7 битами информации. Это вдвое больше, чем при расшифровке 6-битовой ячейки, которую в своё время также пришлось охлаждать до температуры –196° C.

В ходе экспериментов выяснилось, что используемый для каналов транзисторов поликристаллический кремний сильно шумит и не позволяет однозначно определять множество состояний заряда в ячейках памяти. Выход был найден в переходе на использование монокристаллического кремния в каналах, и это дало эффект — 7-битовая ячейка заработала.

Однако возникла неожиданная трудность: не оказалось нужных букв для обозначения 7-битовой ячейки. Аббревиатура HLC (Hepta-Level Cell) была занята 6-битовой ячейкой (Hexa-Level Cell), а SLC (Septi-Level Cell) — однобитовой.

Компании Kioxia и Western Digital анонсировали микросхемы флеш-памяти 3D NAND с 218 слоями ёмкостью 1 Тбит. Чипы будут выпускаться как на трёхбитовых ячейках (TLC), так и на четырёхбитовых (QLC). По словам разработчиков, чипы имеют самую высокую в отрасли битовую плотность. Образцы новинок уже поступили ограниченному кругу клиентов компаний для изучения. Новая память попадёт в смартфоны, интернет-устройства и SSD.

Источник изображения: Kioxia

Новая память относится к восьмому поколению BiCS FLASH Kioxia и Western Digital. Девятое поколение откроют микросхемы с более чем 300 слоями. Партнёры используют «склейку» кристаллов для увеличения количества слоёв. Более того, в случае новинок, как можно сделать вывод из контекста пресс-релиза, массив ячеек и контроллер изготавливаются отдельно и тоже собираются в вертикальный стек в процессе «склейки».

Ранее Kioxia и Western Digital изготавливала контроллеры в составе массивов ячеек. Первой изготавливать управляющую микросхему отдельно начала китайская компания YMTC в виде технологии Xtacking. В случае 218-слойной памяти BiCS FLASH Kioxia и Western Digital речь идёт о «новаторской технологии» CBA (CMOS directly Bonded to Array), в которой контроллеры и массивы ячеек выпускаются на отдельных пластинах с оптимизацией каждого процесса, и совмещаются только после полной обработки (либо кристаллы контроллеров и массивов совмещаются уже после нарезки). В официальном документе этот момент не прояснён.

Массив ячеек по-прежнему используется «четырёхплановый» — из четырёх отдельных плоскостей массивов, что позволяет ускорить работу памяти за счёт параллелизма. Также при производстве 218-слойных сборок массивы были «ужаты» по вертикали и горизонтали. Именно это (точнее — боковая усадка ячеек) позволило увеличить плотность битов на 50 %. Дополнительно увеличена производительность работы памяти — на 60 % по сравнению с предыдущим поколением чипов. Это означает, что скорость работы по каждому контакту шины данных выросла до 3,2 Гбит/с.

Скорость записи также стала выше — на 20 % или около того. Также снизились задержки чтения, что тоже окажет положительное воздействие на производительность новых чипов 3D NAND Kioxia и Western Digital. В целом эта память станет новой ступенькой к более производительным устройствам и приложениям, ожидать которые можно к концу текущего года.

На конференции ISSCC 2023 представители компании SK hynix выступили с докладом, в котором сообщили о разработке флеш-памяти 3D NAND с более чем 300 слоями. Документ готовили 35 инженеров компании, что лишний раз подчёркивает сложность совершенствования техпроцесса производства многослойной флеш-памяти. Примечательно, что разработчики намерены не только увеличить плотность записи, но и значительно поднять пропускную способность чипов: со 164 Мбайт/с до 194 Мбайт/с.

Предыдущий рекордсмен — 238-слойная 3D NAND SK hynix. Источник изображения: SK hynix

Нетрудно понять, что инженеры SK hynix работают по двум основным и важнейшим направлениям: они намерены повысить плотность записи (снизить стоимость хранения каждого бита данных) и повысить производительность. С появлением «многоэтажной» 3D NAND повышать плотности записи стало довольно просто в идее, но сложно в исполнении — это увеличение числа слоёв с одновременным сокращением шага между слоями. И то и другое ведёт к росту сопротивления линии wordline (WL), соединяющей ячейки в строке матрицы. Этот рост приходится тем или иным образом компенсировать, иначе пострадают быстродействие и энергоэффективность.

Сравнение 238- и 300-слойной 3D NAND

SK hynix рассказала о гипотетическом чипе памяти NAND с более чем 300 слоями, который состоит из трёхбитовых (TLC) ячеек и может похвастаться ёмкостью 1 Тбит. За счёт увеличения числа слоёв плотность размещения ячеек вырастет с 11,55 Гбит/мм² у актуальной 238-слойной памяти до более чем 20 Гбит/мм². Общую производительность памяти предложено поднимать пятью отдельными способами, в целом направленными на ускорение процессов записи, стирания и чтения. Для этого придётся внести изменения в последовательности и тайминги команд.

В частности, предложено реализовать метод тройной проверки программирования (TPGM) вместо ранее двойной проверки DPGM. В новой версии ячейки будут делиться на четыре группы, а не на три. Технология TPGM уменьшает параметр tPROG и это вместе с увеличенной разбивкой примерно на 10 % сократит время программирования ячеек.

Также параметр tPROG уменьшит новая технология адаптивного предварительного заряда невыбранной строки (AUSP). Это ускорит работу с ячейками ещё примерно на 2 %. Ещё немного ускорения получится за счёт снижения ёмкостной нагрузки на линию WL, что обеспечит метод программируемой фиктивной строки (PDS). Метод всепроходного нарастания (APR) даст уменьшение времени считывания (tR), что выразится в сокращении времени реакции линии WL на новый уровень напряжения и улучшит время чтения на 2 %. Наконец, для улучшения качества обслуживания во время стирания применят метод повторного чтения на уровне плоскости (PLRR).

Компиляция по данным о поколениях 3D NAND разных производителей. Источник изображения: blocksandfiles.com

Всё вместе, как сказано выше, позволит поднять скорость работы 1-Тбит 3D NAND TLC компании SK hynix за поколение с 164 Мбайт/с до 194 Мбайт/с с одновременным увеличением плотности записи. Уточним, представители компании не стали и вряд ли могли раскрыть производственный график по выпуску памяти NAND 300+. Можно ожидать, что первые прототипы начнут появляться к концу года или даже не раньше начала 2024 года. Пока же и в течение текущего года в производстве будет находиться память с 230+ слоями, выпуск которой в той или иной степени наладили все главные игроки рынка NAND-памяти.