Alternativen spielen kaum eine Rolle

»NAND-Flash wird noch in zehn Jahren dominieren!«

16. November 2022, 7:30 Uhr | Heinz Arnold
Stoermann Axel
Axel Störmann, Vice President Memory Marketing & Engineering von Kioxia Europe: »Es kommt nicht auf ein Skalierungsverfahren alleine an, sondern auf die Kombination der verschiedenen Möglichkeiten, vom Vertical Scaling über Architektur-Scaling und Logik-Scaling bis zum lateralen Scaling – und es kommen wohl noch mehr dazu. Erst das erlaubt es, die NAND-ICs auf ihre verschiedenen Einsatzanforderungen hin zu optimieren.«
© Toshiba

Warum NAND-ICs über die Kombination verschiedener Skalierungsebenen noch lange dominieren werden und welche Technologien Kioxia künftig verfolgen wird, erklärt Axel Störmann im Gespräch mit Markt&Technik.

Markt&Technik: Das Rennen um die meisten Layer für NAND-Speicher geht munter weiter. Kommt es bei den NAND-Flash-Speicher-ICs auf nichts anderes mehr an?

Axel Störmann, Vice President Memory Marketing & Engineering von Kioxia Europe: Auf den ersten Blick drängt sich der Eindruck auf, aber auf den zweiten Blick sieht man, dass es ganz so nicht ist. Jeder Hersteller hat seine eigenen Rezepte, je nachdem, auf welche Speicherzellen und Architekturen er setzt, und optimiert etwas anders. So kommt es, dass die Hersteller auf leicht unterschiedliche Anzahlen von Layern kommen.

Aber im Großen und Ganzen gesehen stimmt es doch, die Hersteller liefern sich ein Layer-Rennen und auch Kioxia fährt jetzt die BICS6-Technik mit 162 Layern hoch.

Das stimmt, wir fahren die Fertigung der BiCS6 jetzt hoch. Aber es geht nicht nur um die Anzahl der Layer. Bis zur BiCS5-Generation mit 112 Layern haben wir auf die CNA-Architektur gesetzt; CNA steht für »CMOS next to Array«. Diese NAND-Chips sind in zwei Bereiche eingeteilt, die nebeneinander auf einem Die platziert sind. In dem einen Bereich ist die CMOS-Logik untergebracht, in dem anderen das Memory Array. In der BICS6-Technologie sind wir dann zur »CMOS under Array«-Technik, kurz: CUA, übergegangen. Hier sitzt der CMOS-Teil unter dem Array, was viel Platz spart.

In der dann folgenden Generation werden wir zwar die Anzahl der Layer weiter auf über 200 erhöhen, aber wir gehen einen ganz neuen Schritt mit der CMOS-Bonded-Architektur, kurz CBA genannt. Hier werden das Speicherzellen-Array und die CMOS-Logik auf getrennten Wafern gefertigt und übereinandergestapelt. Die Verbindung zwischen den beiden Wafern, Array Die und CMOS-Logik-Die, wird hierbei durch einen speziellen Micro-Bonding-Prozess hergestellt. Das führt zu einem weiteren Shrink gegenüber der BICS6-Technik, der auf der Verbesserung der neu eingesetzten Architektur CBA basiert.

Dass wir die Zahl der Layer erhöhen, ist also nicht der einzige Grund, warum sich mehr Speicherzellen pro Flächeneinheit auf den BICS-Chips unterbringen lassen. Jetzt können beide Dies in der jeweils für sie am besten geeigneten Prozesstechnik gefertigt werden, um ihre individuell optimale Performance zu erzielen. Diese neue Skalierungsvariante stellt meiner Ansicht einen Quantensprung dar, die neben höherer Effizienz bei der Die-Größe durch die Entkopplung der beiden Systemblöcke ein besseres Temperaturverhalten und höhere IO-Geschwindigkeiten bei der CMOS-Einheit zulässt.

Ist abzusehen, dass sich das Spiel künftig weiter treiben lässt?

Wir untersuchen gerade eine weitere Möglichkeit, und zwar, mehrere CBA-Speicherzellen-Array-Dies übereinander zu stapeln. Werden zwei übereinander gepackt, dann verdoppelt sich auf einen Schlag die Zahl der Zellen. Das zählen wir zum Architektur-Scaling, auch Multi-Bonding genannt.

Wann wird Kioxia die Produktion der ersten BiCS-Generation auf Basis von CBA starten?

Wir planen, die Produktion in der zweiten Hälfte des nächsten Jahres aufzunehmen.

Welche weiteren Skalierungsmöglichkeiten verfolgt Kioxia neben der Erhöhung der Zahl der Layers und neuen Architekturen bzw. neuer Packaging-Techniken?

Wir verfolgen auch weiterhin die Logik-Skalierung: Seit Langem können wir drei Bits pro Zelle speichern, was als Triple Layer Cell, kurz: TLC, bezeichnet wird. TLC folgte auf die Single- und Multi-Layer Cells, also SLC und MLC. Bei BiCS6 setzen wir aber auch zum ersten Mal die QLC-Technik ein, die vier Bits pro Zellen speichern kann. Es handelt sich also um eine kosteneffiziente Skalierung, die speziell für sehr leselastige Anwendungen geeignet ist. Ich denke da beispielsweise an KI und Deep Learning. Denn da kommt es vor allem darauf an, große Datenmengen zu speichern, nicht auf möglichst viele Schreibzugriffe. Für diese Anwendungen bieten die QLC-Typen die höchste Effizienz und die geringsten Kosten. Es ist bereits abzusehen, dass künftig auch auf PLC-Zellen skaliert wird.

Gibt es weitere Skalierungsmöglichkeiten?

Ja, wir setzen auch weiterhin auf das gute alte laterale Scaling in der Ebene. Da gibt es immer noch viel Luft nach oben. Neben dem Logical Scaling und dem Vertical Scaling kommen wir also auf vier Freiheitsgrade und können sie auf unterschiedliche Anforderungen und Einsatzbedingungen hin kombinieren und optimieren.

Es kommt bei Weitem nicht allein auf das Vertical Scaling an, also darauf, immer mehr Schichten übereinander zu stapeln, oder das erwähnte Architektur-Scaling, sondern auf das Zusammenspiel der verschiedenen Möglichkeiten der Skalierung. Die Herausforderung hierbei ist immer, den »Sweet Spot« hinsichtlich Leistungsfähigkeit, Datenerhalt, Robustheit und Kosten in den einzelnen Anwendungsbereichen zu finden, das ist unser Ziel.

Kioxia setzt deshalb unverändert auf die Fortentwicklung der konventionellen NAND-Speicher?

Im Sektor der NAND-Flash-ICs haben sich die Charge-Trap-Zellen, die wir einsetzen, bezüglich der Zellgröße, der Prozesstechnik und der Wirtschaftlichkeit als ideal herausgestellt. Keine andere Technik kann das. Ich bin überzeugt, dass die NAND-Flash-ICs noch über die nächsten zehn Jahre die mit Abstand dominierende Technik bleiben. Ähnlich gilt das meiner Meinung nach auch für die DRAMs, die wir allerdings nicht fertigen.

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  1. »NAND-Flash wird noch in zehn Jahren dominieren!«
  2. Entwicklung der NAND-Speicher in verschiedene Richtungen

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