На конференции ISSCC 2023 представители компании SK hynix выступили с докладом, в котором сообщили о создании первой в мире 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 не только увеличили плотность записи, они значительно подняли пропускную способность чипов: со 164 Мбайт/с до 194 Мбайт/с.

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

Нетрудно понять, что инженеры SK hynix работали по двум основным и важнейшим направлениям: повышали плотность записи (снижали стоимость хранения каждого бита данных) и повышали производительность. С появлением «многоэтажной» 3D NAND повышение 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

Представленный компанией SK hynix прототип чипа памяти NAND с более чем 300 слоями состоял из трёхбитовых (TLC) ячеек и мог похвастаться ёмкостью 1 Тбит. За счёт увеличения числа слоёв плотность размещения ячеек выросла с 11,55 Гбит/мм² у актуальной 238-слойной памяти до более чем 20 Гбит/мм². Общую производительность памяти поднимали пятью отдельными способами, в целом направленными на ускорение процессов записи, стирания и чтения. Для этого пришлось внести изменения в последовательности и тайминги команд.

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

Также параметр tPROG уменьшает новая технология адаптивного предварительного заряда невыбранной строки (AUSP). Это ускоряет работу с ячейками ещё примерно на 2 %. Ещё немного ускорения получается за счёт снижения емкостной нагрузки на линию WL, что даёт метод программируемой фиктивной строки (PDS). Метод всепроходного нарастания (APR) даёт уменьшение времени считывания (tR), что выражается в сокращении времени реакции линии WL на новый уровень напряжения и улучшает время чтения на 2 %. Наконец, для улучшения качества обслуживания во время стирания используется 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, позволило поднять скорость работы 1-Тбит 3D NAND TLC компании и 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 она начнёт появляться не раньше начала следующего 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.