الهام خالصی
مهندسی برق و الکترونیک
ارسال: مرداد 1403
خلاصه
با رشد تصاعدی داده ها به دلیل هوش مصنوعی (AI) و تحول دیجیتال (DX)، حافظه فلش NAND به یک فناوری مهم تر تبدیل شده است. حافظه فلش سه بعدی BiCS FLASH نسل هشتم شرکت KIOXIA که اکنون در حال تولید انبوه است، به فناوری جدیدی به نام CMOS Directly Bonded to Array (CBA) متکی است. CBA شامل اتصال با دقت بالا از دو ویفر برای بهبود تراکم حافظه و عملکرد است.
حافظه فلش در نتیجه رشد نمایی داده ها اهمیت فزاینده ای پیدا کرده است. . در سال های اخیر، میزان داده های تولید شده در نتیجه اتوماسیون طیف گسترده ای از سیستم ها، برقی شدن خودروها و ظهور هوش مصنوعی مولد به شدت افزایش یافته است. به منظور پردازش چنین حجم زیادی از داده ها، پردازنده های با کارایی بالا به سرعت در حال توسعه و پذیرش هستند. در این زمینه، حافظه فلش NAND (از این پس “حافظه فلش”) نقش مهمی ایفا می کند.
با افزایش مقدار داده ها، نیاز به حافظه فلش نیز افزایش می یابد که برای ذخیره داده ها و برنامه ها استفاده می شود. این افزایش تقاضا به تکامل حافظه فلش از نظر ظرفیت بیشتر، بهبود عملکرد خواندن/نوشتن، کاهش مصرف برق و سرعت رابط های سریعتر کمک کرده است.
به منظور پاسخگویی به این خواسته های بازار، KIOXIA در حال توسعه فناوری هایی برای افزایش ظرفیت و چگالی حافظه فلش است.
مراحل طراحی
رویکرد KIOXIA برای توسعه حافظه فلش فراتر از اتکا صرف به مقیاس بندی عمودی است.
KIOXIA با وفاداری به مأموریت خود “ارتقای جهان با حافظه”، حافظه فلش را در سال 1987 اختراع کرد. نزدیک به 40 سال است که KIOXIA در توسعه فناوری حافظه فلش پیشرو بوده است.
اولین حافظه فلش در دو بعدی (مقیاس بندی جانبی) تکامل یافت. با پیشرفت خط آرایه سلول های حافظه و فناوری مقیاس بندی فضا، ظرفیت حافظه و چگالی حافظه در هر قالب سیلیکون به تدریج بهبود یافت. مقیاس بندی به منبع رقابت بین سازندگان حافظه فلش تبدیل شد، اما زمانی که خط آرایه سلول حافظه و فضا به فرآیند 15 نانومتری رسید، به این حد رسید. این به دلیل تعداد فزاینده ای از مسائل بود که دیگر نمی توان آنها را نادیده گرفت، از جمله این واقعیت که سلول های حافظه بیش از حد به یکدیگر نزدیک می شوند و باعث نشت جریان می شوند، یا اینکه تعداد الکترون های ذخیره شده در یک سلول حافظه کاهش می یابد و بر قابلیت اطمینان عملکرد خواندن/نوشتن تأثیر می گذارد.
گام بعدی در تکامل حافظه فلش شامل انباشته شدن سلول های حافظه در سه بعد (مقیاس بندی عمودی) بود. افزایش تعداد لایه ها باعث افزایش تعداد سلول های حافظه در واحد سطح و در نتیجه ظرفیت و یکپارچگی بالاتر می شود. در سال 2007، KIOXIA فناوری حافظه فلش سه بعدی را برای سلول های حافظه انباشته معرفی کرد. در سال 2015، KIOXIA یک حافظه فلش سه بعدی 48 لایه را با نام تجاری BiCS FLASH تجاری کرد1. از آن زمان، KIOXIA تقریبا هر دو سال یکبار محصولات BiCS FLASH را با افزایش تعداد لایه ها منتشر کرده است. در سال 2021، KIOXIA نسل ششم BiCS FLASH را متشکل از 162 لایه منتشر کرد.
در سال های اخیر، تولیدکنندگان حافظه فلش در درجه اول بر توسعه فناوری هایی برای افزایش تعداد لایه های سلول های حافظه و افزایش تراکم حافظه تمرکز کرده اند. هر بار که نسل جدیدی از حافظه فلش منتشر می شود، تعداد لایه ها افزایش می یابد و برخی از محصولات دارای بیش از 200 لایه هستند. با این حال، همانطور که آتسوشی اینوئه، معاون بخش حافظه در KIOXIA، توضیح داد: “افزایش لایه های سلول های حافظه تنها یکی از راه های افزایش ظرفیت و تراکم حافظه است و ما منحصرا درگیر تعداد لایه ها نیستیم.”
افزایش تعداد لایه های سلول های حافظه چالش های زیادی را از نظر هزینه و فرآیندهای تولید ایجاد می کند. بارزترین آنها افزایش دشواری فرآیند تولید است. سوراخ های بسیار عمیق و ریز باید با دقت بالا از طریق پشته ای از لایه های بسیار نازک حکاکی شوند تا سلول های حافظه را تشکیل دهند. این امر مستلزم استفاده از تجهیزات پیشرفته است که باعث افزایش سرسام آور هزینه های تولید می شود. هرچه لایه های سلول حافظه در یک پشته بیشتر باشد، زمان تولید بیشتر می شود.
به گفته اینو، “برای KIOXIA، مهمترین جنبه ساخت حافظه فلش سه بعدی این است که چگونه می توان به طور موثر ادغام و تراکم سلول های حافظه را افزایش داد. آنچه مهم است این است که چند گیگابایت را می توان روی یک ویفر ایجاد کرد، به عبارت دیگر، توانایی افزایش چگالی گیگابایت (GB/mm2). به جای افزایش ساده تعداد لایه های انباشته، رویکرد ما شامل اطمینان از بهترین تعادل بین هزینه و عملکرد با بهینه سازی عواملی مانند عمق حفره حافظه، فناوری مقیاس بندی جانبی و فناوری فرآیند است.
جدیدترین حافظه فلش توسعه یافته با این فلسفه طراحی، نسل هشتم BiCS FLASH2 با 218 لایه است. این آخرین نسل در کارخانه KIOXIA Yokkaichi (شهر یوکایچی، استان میه) و کارخانه کیتاکامی (شهر کیتاکامی، استان ایواته) تولید خواهد شد.
با CBA، مدارهای کنترل و سلول های حافظه روی ویفرهای جداگانه ایجاد می شوند
بارزترین ویژگی نسل هشتم BiCS FLASH معرفی فناوری به نام “CMOS Directly Bonded to Array (CBA)” است. این شامل ایجاد مدار CMOS است که سلول های حافظه و آرایه سلول های حافظه را روی ویفرهای جداگانه کنترل می کند، سپس ویفر را با آرایه سلول حافظه معکوس می کند و دو ویفر را به یکدیگر متصل می کند.
برای نسل ششم قبلی فلاش BiCS، از فناوری CMOS Under Array (CUA) در فرآیند تولید استفاده شد. فرآیند CUA شامل ساخت یک آرایه سلولی در بالای مدار CMOS ساخته شده قبلی و سپس انجام بازپخت در دمای بالا برای بهبود قابلیت اطمینان سلول های حافظه بود. با این حال، پردازش در دمای بالا تأثیر منفی بر ویژگی های عملکرد ترانزیستورها در مدار CMOS دارد. در نتیجه، فرآیند تولید CUA در معرض محدودیت های دمایی قابل توجهی قرار گرفت و موانعی را برای بهبود بیشتر عملکرد سلول های حافظه ایجاد کرد.
مزیت فناوری CBA این است که ویفرهای مدار CMOS و ویفرهای آرایه سلول های حافظه را می توان به طور جداگانه تولید کرد. انجام پردازش در دمای بالا صرفا بر روی ویفر آرایه سلول حافظه امکان دستیابی به دمای مطلوب برای اطمینان از قابلیت اطمینان را بدون نیاز به در نظر گرفتن تأثیر بر مدار CMOS فراهم می کند. با جداسازی فرآیندهای تولید ویفر ، می توان عملکرد مدار CMOS و آرایه سلول حافظه را به حداکثر رساند.
از آنجایی که این دو نوع ویفر به صورت موازی تولید می شوند، مزیت اضافه شده کوتاه شدن زمان تولید در مقایسه با روش معمولی نیز وجود دارد.
با این حال، اتصال ویفرها به یکدیگر کار آسانی نیست. به منظور اطمینان از قابلیت اطمینان حافظه فلش، تراز بسیار دقیق در فرآیند اتصال مورد نیاز است. اینوئه می گوید: «اگر قطر ویفر 1 کیلومتر را در نظر بگیرید، دقت مورد نیاز برای اتصال ویفرها به یکدیگر به ترتیب 1 میلی متر یا کمتر خواهد بود. دقت تراز اتصال ضعیف ممکن است محصول را از عملکرد به عنوان حافظه فلش جلوگیری کند یا ممکن است به طور قابل توجهی طول عمر محصول و قابلیت اطمینان را کاهش دهد.
برای اینکه دو ویفر به هم متصل شوند، سطوح هر ویفر باید بسیار صاف باشد و برای صاف کردن آنها به پردازش پیچیده ای نیاز است. فناوری CBA نتیجه مجموعه ای از فناوری های پیشرفته است که در فرآیند تولید برای تولید نسل هشتم BiCS FLASH گرد هم می آیند.
نسل هشتم BiCS FLASH دارای 218 لایه است که بیشتر از نسل قبلی است. این به معنای حدود 5 درصد لایه های کمتر از محصولات رقیب همان نسل است (به عنوان مثال، حافظه های فلش سه بعدی با تقریبا 230 لایه). با این حال، محاسبات ما به ما می گوید که چگالی گیگابایت حدود 15 تا 20 درصد بیشتر است. که باعث می شود فکر کنم روش ما به طور موثرتری به یکپارچگی بالاتری دست می یابد.
نسل هشتم BiCS FLASH هم از نظر چگالی و هم از نظر عملکرد پیشرفت قابل توجهی را نشان می دهد. چگالی گیگابایت در مقایسه با نسل قبلی BiCS FLASH 50 درصد افزایش یافته است. عملکرد نوشتن 20 درصد و سرعت خواندن 10 درصد افزایش یافته است. مصرف برق 30 درصد (در حین عملیات نوشتن) کاهش یافته است. سرعت رابط 3.6 گیگابیت بر ثانیه است3 (گیگابیت در ثانیه). اینوئه می گوید: “پذیرش CBA ویژگی های خود سلول حافظه را بهبود بخشیده است، که مستقیما منجر به بهبود عملکرد نوشتن و سایر زمینه ها شده است.”
اینوئه می گوید: «واقعا بهبود عملکرد تا این حد آسان نیست. به طور کلی، با افزایش تعداد لایه های انباشته، هر لایه نازک تر می شود و سلول حافظه کوچکتر می شود که بر ویژگی های اولیه سلول حافظه تأثیر منفی می گذارد. تا زمانی که بر این مشکل غلبه نکنید و در عین حال یک سلول بسیار قابل اعتماد ایجاد نکنید، هیچ پیشرفتی در عملکرد مشاهده نخواهید کرد. من فکر می کنم این منطقه ای است که فروشندگان حافظه در آن دست و پنجه نرم می کنند. با این حال، بهبود عملکرد حدود 10 درصد با هر نسل جدید یک هدف و شاخص ارزشمند برای موفقیت است.
اینوئه می گوید: «بهبود تراکم حافظه با افزایش تعداد لایه ها یکی از چندین رویکرد موثر است. با این حال، مهم است که با معرفی مناسب ترین فناوری برای یک زمان خاص، مانند CBA، به جای تکیه بر تعداد لایه ها، نوآوری کنید. ما معتقدیم که نسل هشتم BiCS FLASH تجسم این رویکرد است.
افزایش تقاضا برای SSD در مراکز داده
نسل هشتم BiCS FLASH برای طیف گسترده ای از برنامه ها مناسب است، از SSD های PCI Express 5.0 (PCIe Gen 5) که به طور فزاینده ای در رایانه های شخصی نصب می شوند، تا ذخیره سازی گوشی های هوشمند، SSD های مرکز داده، SSD های سازمانی و ذخیره سازی داخل خودرو. اینوئه می گوید: «ما از نظر قابلیت اطمینان و عملکرد از مشتریانی که نمونه ها را برای آنها ارسال کرده ایم، بازخورد مثبتی دریافت کرده ایم.
به طور خاص، انتظار می رود که آنها به طور گسترده در مراکز داده استفاده شوند. “حافظه پهنای باند بالا (HBM) که به طور فزاینده ای در سرورهای مرکز داده در نتیجه ظهور هوش مصنوعی مولد استفاده می شود، انرژی بسیار بالایی مصرف می کند. این امر نیاز فزاینده ای به SSD های کم مصرف، کوچک و سبک وزن ایجاد می کند. در زمینه سازمانی نیز، KIOXIA انتظار دارد HDD ها با سرعت بیشتری جایگزین SSD شوند.
” ما به همکاری با شرکای خود برای ایجاد جامعه ای بهتر ادامه خواهیم داد و به توسعه حافظه فلش با چگالی بالا با عملکرد بهبود یافته ادامه خواهیم داد تا افق آنها را گسترش دهیم.”
