Ee713de006559897a82202cd23af3e56 Toshiba 與 SanDisk 合作開發快閃記憶體多年,繼去年首款採用 15nm 製程技術,所生產的 128Gbit 大容量晶圓後,近期又再發表採用相同製程的 64Gbit 容量產品。這款產品除了具有當前業界最小的 75mm2 體積,更以低消耗功率為設計標的,從而調降工作電壓並加入多項機能,因此具有技術創新的指標性意義。

今年 ISSCC 2015(International Solid-State Circuits Conference,國際固態電路研討會)活動期間,Toshiba 與 SanDisk 共同展出最新研究開發成果,正式揭露最新的 64Gbit 容量快閃記憶體。這項新技術焦點在於將採用 15nm 製程生產,這是比當前已經蔚為主流,大家所熟悉 A19nm 還要新的製程技術。

Toshiba 與 SanDisk,藉由 15nm 製程將裸晶圓尺寸縮小至 75mm2,堪稱是當前業界體積最小的 64Gbit 晶圓,而且仍為 2bit/Cell 結構的 MLC 產物,而非玩家所嫌棄 3bit/Cell 結構 TLC 產品。採用這項新製程技術所製造 64Gbit 晶圓,基於 Toggle DDR2 架構運作,資料傳輸速率高達 533Mb/s,官方標示吞吐量為 30MB/s。


▲ Toshiba、SanDisk 官方 15nm、64Gbit 晶圓尺寸示意圖。

64Gbit 容量裸晶圓應用相當廣泛,例如大家正在使用中的固態硬碟,為數不少裸晶圓都屬於這容量規格,然後經由堆疊封裝技術組合成較大容量顆粒。在此之前,常見 64Gbit 晶圓依技術陣營區分來看,Toshiba、SanDisk(主力與所主導制定規範為 Toggle)的 A19nm 尺寸為 94mm2,意味進化到 15nm 世代得以縮小約 20%。

其最大競爭對手應營 Micron 與 Intel(主力與所主導制定規範為 ONFi),很早之前就已經量產 16nm 顆粒,但是其生產主力為 128Gbit 產品。以這容量為參考比較基準,Micron 製品體積為 172mm2,反觀 Toshiba 去年所發表 15nm 製程 128Gbit 產品,是小上許多的 139mm2。


▲ 圖例為 Micron、Intel 的 20nm 製程、128Gbit、8CE 堆疊封裝晶圓,這小小一片即有 128GB 容量。

另外合宜的比較對象是 ISSCC 2014 活動期間,SK Hynix 曾展出 16nm 製程同級容量產品,當時所標示晶圓尺寸為 93.4mm2。也就是說 Toshiba、SanDisk 這項新品,體積比 SK Hynix 還要小 19% 左右,意味每片晶圓容量密度更高,製造成本效益優於同業競爭對手。

除了製程技術進步外,官方還著手改善消耗功率表現,規格標示消耗功率為 5.7mW,做法是將以往普遍採用的 3.3V 工作電壓調降至 1.8V。這是一般人較少注意的重點,但如果你還記得前些年,有測試研究指出固態硬碟未必比硬碟省電,就不難理解廠商的意圖。不過單純調降電壓有些問題得克服,因此實際設計還加入多項技術,藉以抑制電流損耗等問題。


▲ Toshiba、SanDisk 官方電壓調降效益示意圖,圖中 x2、x4、... ...是指晶圓數量,在現行 3.3V 電壓工作條件下,堆疊超過 8 個晶圓會導致消耗功率暴增,調降至 1.8V 得以使堆疊數量往上增加到 16 個。

第一項是昇壓電路,官方將此技術稱為 SPPC(Smart Pumping Power Control),據稱單純將電壓從 3.3V 調降至 1.8V,可使消耗功率減少約 22%,加入 SPPC 之後則是可以達到 36% 之多。關鍵在於沒有 SPPC 機制時和 3.3V 相比,電流量將會增加約 41%,加入 SPPC 則是可以壓低到 17% 左右。


▲ Toshiba、SanDisk 官方 SPPC 架構效益示意圖。

此外同樣基於電壓與電流成反比這定理,為了有效達成降低消耗功率這設計目的,還開發出 PPM(Peak Power Management)這峰值功率管理機制。因為傳統多晶圓堆疊封裝應用,各晶圓同步運作的電流峰值較高,如果無法供應短時間內所需大電流量,容易導致運作異常。

PPM 做用是能夠控制各晶圓運作狀態,利用錯開指令執行時間點的方式,分散各晶圓電流峰值出現時間點,如此解決預充電流量需求的問題。這運作方式像是中斷,或說非同步的概念,將導致資料吞吐量合理的降低。但官方表示在 4CE 堆疊封裝顆粒試驗案例中,雖然資料吞吐量會降低約 20%,但峰值電流最多可以減少 40~65% 不等,以當前技術來說平衡點算是良好。

▲ Toshiba、SanDisk 官方 PPM 架構效益示意圖,藉由調整各晶圓動作程序的方式,分散電流峰值。

快閃記憶體製程演進,固然存在理論抹寫次數(Program/Erase)會隨之降低的技術限制,但概觀而言仍然是利大於弊。過去幾年固態硬碟價格能一再創新低,是受惠於晶圓製造成本降低,這點肯定無庸置疑。其次是新製程技術得以提高容量密度,這讓隨身碟、記憶卡等無法容納多少顆粒的產品,尺寸不變甚至做的更小,容量卻可以每隔一陣子倍增。這些應用再再顯示,半導體製程技術演進的重要性,不妨樂觀其成而無須太過於糾結。


▲ 只有指甲大小的 microSD 記憶卡,當前最大容量已經來到 200GB,同樣是受惠於半導體製程技術進步。

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