DDR4、NAND Flash存储器芯片发展趋势

2014-09-04 12:47:53来源: DIGITIMES
  DDR4以前瞻性的高传输速率、低功耗与更大记忆容量,在2014年下半将导入英特尔工作站/伺服器以及高阶桌上型电脑平台,并与LP-DDR3记忆体将同时存在一段时间;至于NAND Flash快闪记忆体也跨入1x奈米制程,MLC将以iSLC/eSLC自砍容量一半的方式,提升可抹写次数(Program Erase;P/E)来抢占极端要求耐受度的军方与工控市场,而C/P值高的TLC从随身碟、记忆卡的应用导向低阶SSD…

DDR4伺服器先行  2016超越DDR3成为主流

处理器(CPU)、绘图晶片(GPU)运算效能随摩尔定律而飞快进展,加上云端运算、网际网路行动化浪潮下,持续驱动动态记忆体(Dynamic RAM;DRAM)的规格进化。从非同步的DIP、EDO DRAM,到迈向同步时脉操作的SDRAM开始,以及讯号上下缘触发的DDR/DDR2/DDR3/DDR4记忆体,甚至导入20奈米与新型态的Wide I/O介面以降低讯号脚位数与整体功耗


处理器速度与云端运算持续驱动动态记忆体规格的演变,从DIP、EDO、SDRAM到DDR/DDR2/DDR3/DDR4。Samsung/Micron/Intel

   
DDR4记忆体将于2014H2优先导入工作站/伺服器以及高阶桌机平台。Intel

DDR4较以往不同的是改采VDDQ的终端电阻设计,目前计划中的传输速率进展到3,200Mbps,比目前最高速的DDR3-2133传输速率快了50%,将来不排除直达4,266Mbps;Bank数也大幅增加到16个(x4/x8)或8个(x16/32),这使得采x8设计的单一DDR4记忆体模组,容量就可达到16GB容量。

而DDR4运作电压仅1.2V,比DDR3的1.5V低了至少20%,也比DDR3L的1.35V还低,更比目前x86 Ultrabook/Tablet使用的低功耗LP-DDR3的1.25V还要低,再加上DDR4首次支援深度省电技术(Deep Power Down),进入休眠模式时无须更新记忆体,或仅直接更新DIMM上的单一记忆体颗粒,减少35%~50%的待机功耗。

将来迈入20奈米制程时,会导入3D立体堆叠加矽钻孔(3D Stacks+TSV)封装技术,以及针对绘图晶片、行动装置提出低脚位数的Wide I/O,来提升DRAM记忆体单位容量与频宽。

英特尔将分别把DDR4规格导入伺服器/工作站平台,以及最高阶桌上型电脑平台(High-End DeskTop;HEDT)。前者是伺服器处理器XEON E5-2600处理器(代号Haswell-EP),搭配的DDR4记忆体为2,133Mbps(DDR4-2133);后者则是预定第三季推出的8核心Intel Core i7 Extreme Edition处理器,同样搭配DDR4-2133记忆体,以及支援14组USB 3.0、10组SATA6Gbps的X99晶片组,成为2014第4季至2015年上半年英特尔最强悍的桌上型电脑平台组合。

而超微(AMD)下一代APU(代号Carrizo)已延迟至2015年登场,但其记忆体支援性仍停留在DDR3。至于行动装置部份,安谋(ARM)针对伺服器市场打造的64位元Cortex-A57处理器核心,已预留对DDR4记忆体支援,而第三方IP供应商也提供了相关的DDR4 PHY IP。

三星于2013年底宣布量产20奈米制程的4GB记忆体颗粒,将32GB的记忆体推向伺服器市场;2014年1月推出行动装置用的低功耗DDR4(LP-DDR4)。SK海力士在2014年4月宣布借助矽钻孔(TSV)技术,开发出单一DDR4晶片外观、容量达128GB。市场预料DDR4将与DDR3(DDR3L、LP-DDR3)等共存一段时间,预计到2016年才会超越DDR3而成为市场主流。

业界也正观察,在一些非挥发性记忆体如相变记忆体(Phase-Change Memory;PCM)、磁阻记忆体(Magneto Resistive Memory;M-RAM)、电阻记忆体(Resistive Memory;RRAM)等技术已蓄势待发、即将迈向商业量产门槛之际,DDR4将可能是末代的DDR记忆体,届时电脑与软体结构将会出现极为剧烈的变动。

NAND Flash逼近制程物理极限  以3D提升容量密度

以浮闸式(Floating Gate)半导体电路所设计的NAND Flash非挥发性记忆体,随着Flash制程技术不断进化、单位容量成本不断下降的情况下,已经在智慧手机、嵌入式装置与工控应用上大量普及。

Micron自家市场统计预测指出,从2012到2016年总体NAND Flash容量应用的年复合成长率可达51%。2013年,美光(Micron)与SK Hynix两家晶圆厂,先后发表16nm制程的NAND Flash记忆体技术,而东芝(Toshiba)则在2014年直接跨入15nm制程,并推出相关NAND Flash记忆体晶片产品。

NAND Flash传输速率,从2010年ONFI 2.0的133MB/s,eMMC v4.41的104MB/s;到2011年ONFI v2.2/Toggle 1.0规格,传输速率提升到200MB/s,eMMC v4.5拉高到200MB/s,UFS 1.0传输速率为2.9Gbps;2012年ONFI v3.0/Toggle v1.5提升到400MB/s,UFS v2.0传输速率倍增为5.8Gbps;预估到2015年,ONFI v4.x/Toggle v2.xx规格定义的传输速率增到800MB/s、1.6GB/s。

随着NAND Flash制程进步与线路宽度与间距的微缩,连带影响到抹写次数(P/E Cycles)的缩减。SLC记忆体从3x奈米制程的100,000次P/E Cycles、4个ECC bit到2x奈米制程降为60,000 P/E、ECC 24bit。MLC从早期5x奈米制程10,000 P/E、ECC 8bit,到2x/2y奈米制程时已降为3,000 P/E、24~40个ECC bit。

有厂商提出,eSLC、iSLC的记忆体解决方案,以运用既有的低成本的MLC记忆体,在单一细胞电路单元使用SLC读写技术(只储存单一位元的电荷值),抹写耐用度提升到30,000次P/E,成本虽比MLC高,但性价比远优于SLC,可应用在IPC/Kiosk/POS系统、嵌入式系统、伺服器主机板以及薄型终端机等。

随着采用传统2D平面制程技术的NAND Flash即将濒临极限,NAND Flash大厂纷纷开始采用3D堆叠制程技术来增加密度。旺宏(Macronix)在2006年提出Multi TFT(Thin Film Transistor)的堆叠NAND设计概念,同年Samsung也发表Stacked NAND堆叠式快闪记忆体,2007年东芝发表BiCS,2009年东芝发表P-BiCS、三星发表TCAT、VG-NAND与VSAT,2010年旺宏发表VG TFT,2011发表PNVG TFT,同年Hynix也发表Hybrid 3D技术。2010年VLSI研讨会,旺宏公布以75奈米制程,TFT BE-SONOS制程技术装置的VG(垂直闸) 3D NAND技术。预计2012年进入55nm制程,2013年进入36nm制程,2015年进入2xnm制程,制程进度落后其他大厂甚多。

三星(Samsung)同样于2006年发表Stacked NAND,2009年进一步发表垂直通道TCAT与水平通道的VG-NAND、VSAT。2013年8月,三星发布首款名为V-NAND的3D NAND Flash晶片,采用基于3D CTF(Charge Trap Flash)技术和垂直堆叠单元结构,单一晶片可以集结、堆叠出128 Gb的容量,比目前20nm平面NAND Flash多两倍,可靠性、写入速度也比20nm制程NAND Flash还高。三星目前在3D-NAND Flash应用进度领先其他业者,V-NAND制造基地将以韩国厂与新设立的大陆西安厂为主。其V-NAND目标直接挥军伺服器等级固态硬碟,从2013年第四季开始,陆续送样给伺服器业者或是资料中心制造商进行测试。

东芝(Toshiba)以2009年开发的BiCS—3D NAND Flash技术,从2014年第二季起开始小量试产,目标在2015年前顺利衔接现有1y、1z奈米技术的Flash产品。为了后续3D NAND Flash的量产铺路,东芝与新帝(SanDisk)合资的日本三重县四日市晶圆厂,第二期工程扩建计划预计2014年Q3完工,Q3顺利进入规模化生产。而SK海力士与美光(Micron)、英特尔(Intel)阵营,也明确宣告各自3D NAND Flash的蓝图将接棒16奈米,计划于2014年Q2送样测试,最快于年底量产。

由于3D NAND Flash记忆体的制造步骤、工序以及生产良率的提升,要比以往2D平面NAND Flash需要更长时间,且在应用端与主晶片及系统整合的验证流程上也相当耗时,故初期3D NAND Flash晶片将以少量、限量生产为主,对整个行动装置与储存市场上的替代效应,在明年底以前应该还看不到。

行动装置的快闪记忆体容量、速率进展

行动装置所需要的GB储存容量,据估计每部手机搭配的NAND Flash容量,将从2012年5.5GB增加到2015年的25.1GB;每部平板电脑搭配NAND Flash容量,从28.7GB增加到2015年的96.1GB。

eMMC(embedded MultiMedia Card)是JEDEC协会所推出泛用的储存媒体规范,其藉由将MMC Controller跟NAND Flash封装成一颗晶片的方式,行动装置无须顾虑着NAND Flash制程与规格的改变,与新世代NAND Flash搭配的快闪记忆体控制晶片与韧体的搭配,进而简化体积与电路设计。2013年全球有4.5亿部行动装置均使用eMMC。

而Universal Flash Storage(UFS)将以往eMMC安全、低功耗、小尺寸封装的应用,融合目前SSD所使用到的高速串列介面技术,目前UFS 1.1规格传输速率达到3Gbps,未来UFS 2.0将可进一步达到6Gbps。因UFS跟既有的eMMC介面迥然不同也无法相容,相关产业供应链尚未齐全,整个产业生态尚未建立,UFS产品预估2014年才有小量产品出现在市面上,且因成本因素会瞄准在高阶市场,UFS与eMMC两者届时会并存在市场上一阵子。

关键字:DDR4  NAND  Flash

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2014/0904/article_36572.html
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