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Techinsights逆向分析长江存储128层NAND,给出性能对比

2021-09-30 14:55:59 综合报道 阅读:
在SK海力士、美光退出128层3D NAND之后,长江存储于今年4月份宣布推出128层堆栈的3D NAND闪存。与三星(V-NAND)、美光(CTF CuA)和SK hynix(4D PUC)的现有128L 512Gb 3D TLC NAND产品相比,长江存储128层Nand裸片尺寸更小,这使得它的比特密度最高,其工艺在容量、位密度和I/O速度方面有很多优势。

长江存储自己宣称过,xtacking 架构在所有架构中密度最高、带宽最大、迭代速度最快。<meta charset="utf-8" />EP6ednc

日前,Techinsights拆解了来自Asgard Memory的PCIe4.0 NVMe1.4 AN4 1TB SSD,发现这款产品搭载长江存储的128层Xtacking 2.0 TLC NAND Flash。Techinisights的逆向分析指出,Xtacking 架构旨在让长江存储在最大化其内存阵列密度的同时获得超快 I/O,例如 SSD 的读取速度为 7500 MB/s,写入速度为 5500 MB/s。该芯片采用四平面设计,所有 CMOS 外围电路(例如页面缓冲器、列解码器、电荷泵、全局数据路径和电压发生器/选择器)都放置在 3D NAND 单元阵列芯片下方的逻辑芯片上。EP6ednc

Xtacking 2.0 TLC NAND Flash芯片的封装标识,往往因SSD产品不同而不同,例如YMN09TC1B1HC6C(日期代码:2021 9W)或POWEV PYT02TV4IA1-X4PWA(日期代码:2021 31W)。EP6ednc

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图1. YMTC 128L Xtacking 2.0 封装丝印EP6ednc

1TB的SSD中由四个256 GB NAND和两个512MB DDR4 (Nanya) ,其中四颗 NAND 封装在一个Die中,这意味着它是一个 512 Gb 芯片。EP6ednc

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图2. YMTC 128L Xtacking 2.0 512Gb NAND die EP6ednc

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图3. YMTC 128L Xtacking 2.0 外围 CMOS 芯片EP6ednc

作为参考,YMTC 64L Xtacking 1.0 TLC 芯片,与NAND 芯片 (Y01-08 BCT1B) 、 CMOS 外围芯片 (Y01A08 BCT1B) 的芯片标记略有不同。EP6ednc

YMTC 128L Xtacking 裸片

三星176L V-NAND和SK海力士176L 4D PUC NAND SSD尚未在商用市场上出现,这就有意思了。YMTC 512Gb 128L Xtacking 2.0 TLC 芯片尺寸为 60.42 mm 2。位密度增加到 8.48 Gb/mm 2,比 Xtacking 1.0 芯片 (256Gb) 高 92%。由于长江存储Xtacking混合键合技术使用两片晶圆来集成3D NAND器件,因此我们可以找到两个die,一个用于NAND阵列芯片,另一个用于CMOS外围芯片。EP6ednc

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图 4. YMTC 128L Xtacking 2.0 NAND Die 平面图EP6ednc

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图 5. YMTC 128L Xtacking 2.0 Peripheral CMOS Die FloorplanEP6ednc

图4显示了长江存储128L Xtacking 2.0芯片的NAND芯片布局图,图5显示了CMOS外围芯片布局图。Xtacking 架构旨在让长江存储在最大化其内存阵列密度的同时获得超快 I/O,例如 SSD 的读取速度为 7500 MB/s,写入速度为 5500 MB/s。该芯片采用四平面设计,所有 CMOS 外围电路(例如页面缓冲器、列解码器、电荷泵、全局数据路径和电压发生器/选择器)都放置在 3D NAND 单元阵列芯片下方的逻辑芯片上。EP6ednc

YMTC 128L Xtacking 2.0 规格和单元结构

YMTC 128L Xtacking 2.0单元结构由两个层板组成,通过层板接口缓冲层连接,与KIOXIA 112L BiCS 3D NAND结构的工艺相同。单元尺寸、CSL间距和9孔VC布局与以前的64L Xtacking 1.0单元保持相同的设计和尺寸(水平/垂直WL和BL间距)。门的总数为141(141T),包括选择器和用于TLC操作的虚拟WLs。EP6ednc

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图6. YMTC 3D NAND 单元结构从 32L 到 128L(WL 方向的 x 截面 SEM 图像)EP6ednc

图 6 显示了 YMTC 3D NAND 单元在 WL 方向的结构,以及注释为 32L(T-CAT 与 39T)、64L(Xtacking 1.0 与 73T)和 128L(Xtacking 2.0 与 141T)的门总数。EP6ednc

上层有72个tungsten gates,而下层由69个门组成。包括BEOL Al、NAND裸片和外围逻辑芯片在内的金属层总数为10,这意味着与64L Xtacking 1.0工艺集成相比,外围逻辑芯片中增加了两个铜金属层。通道VC孔的高度增加了一倍,为8.49微米。EP6ednc

表1是长江存储3D NAND器件的对比;Gen1 (32L)、Gen2(64L,Xtacking 1.0)和 Gen3(128L,Xtacking 2.0)。EP6ednc

Device YMTC 3D NAND Gen1 (32L) YMTC 3D NAND Gen2 (64L) YMTC 3D NAND Gen3 (128L)
Parent Product Example 32GB Secure USB Gloway YCT512GS3-S7EP6ednc
Pro SSD 512GB
Asgard PCIe4.0 NVMe1.4EP6ednc
AN4 1TB SSD
Package Markings YMEC6A1MA3A2C1 YMN08TB1B1HUB1B YMN09TC1B1H6C
Die Markings 98081A BCT1B CDT1B
MLC Operation MLC TLC TLC
Architecture T-CAT Xtacking Xtacking
Number of Dice/Device 4 4 4
Memory (/die) 64 Gb 256 Gb 512 Gb
Die Size 76.30 mm2 57.96 mm2 60.42 mm2
Memory Density 0.84 mm2 4.42 mm2 8.48 mm2
Planes 1 2 4
Number of Decks 1 1 2
Number of Total Gates 39T 73T 141TEP6ednc
(69 + 72)
Number of Metals 3 8 10
Channel Hole Height 2.74 µm2 4.14 µm2 8.49 µm2

与三星 (V-NAND)、美光 (CTF CuA) 和 SK 海力士 (4D PUC) 现有的 128L 512 Gb 3D TLC NAND 产品相比,长江存储芯片尺寸更小,这使其比特密度最高。四板芯片平面图和双层阵列结构与美光和SK海力士相同,但每串选择器和虚拟WL的数量为13个,比美光和SK海力士小(两者均为147T)。由于其 Xtacking 混合键合方法,使用的金属层数远高于其他产品。EP6ednc

表2显示了包括刚刚发布的YMTC 128L Xtacking 2.0 3D NAND在内的128L 512 Gb 3D TLC NAND产品的比较。EP6ednc

Device YMTC 128L Xtacking Samsung 128L V-NAND Micron 128L CuA CTF SK hynix 128L 4D PUC
Parent Product (Example) Asgard PCIe4.0 NVMe1.4EP6ednc
AN4 1TB SSD
Samsung EVO 870 1TB Micron Crucial BX500EP6ednc
2.5 SSD 480GB
SK hynix Gold P31EP6ednc
SSD 1TB
Package Markings YMN09TC1B1H6C K9DVGY8J5B-DCK0 OYD2D NW987 H25T2TB88E
Die Markings CDT1B K9AHGD8J0B B37R H25TFB0
MLC Operation TLC TLC TLC TLC
Architecture Xtacking V-NAND CTF CuA 4D PUC
Number of Dice/Device 4 16 2 8
Memory (/die) 512 Gb 512 Gb 512 Gb 512 Gb
Die Size 60.42 mm2 74.09 mm2 66.02 mm2 63.00 mm2
Memory Density 8.48 mm2 6.91 mm2 7.76 mm2 8.13 mm2
Planes 4 4 4 4
Number of Decks 2 1 2 2
Number of Total Gates 141TEP6ednc
(69 + 72)
136T 147TEP6ednc
(73 + 74)
147TEP6ednc
(77 + 70)
Number of Metals 10 4 6 5
Channel Hole Height 8.49 µm2 6.23 µm2 8.42 µm2 7.53 µm2

报告的作者Jeongdong Choe 博士认为, 从 3D NAND 发展的整体角度来看,长江存储的产品看起来已经足以与其他厂商产品竞争,正在快步赶上其他领跑者。EP6ednc

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Dr. Jeongdong ChoeEP6ednc

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责编:胡安EP6ednc

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