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[周报全文]3D芯片从技术走向市场 内存当先

2008年07月24日 09:43:36 | 作者:王琨月 编译 | 来源: | 查看本文手机版

摘要:业界对3D芯片在满足速度、密度和低功耗需求方面寄予厚望,现在看来,“3D内存”在未来几年中,可能会最先得到市场的认可。

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业界对3D芯片在满足速度、密度和低功耗需求方面寄予厚望,现在看来,“3D内存”在未来几年中,可能会最先得到市场的认可。

【CNW.com.cn 专稿】什么是“3D内存”,各内存厂家的定义各不相同。笔者在这里权且将“内存阵列纵向排列”的都归为3D内存之列。本文也是要来分析一下,3D内存是怎样提升容量、速度这两个基本指标的。还有3D内存可能最引人担忧的问题—产量(同时影响着价格)。

三星堆叠式3D内存

目前市场上的内存产品,基本都是采用了一种称作“NANDNot And,与非门)”的架构,其内存阵列是横向排列的。但是人们并不满足NAND架构下的内存容量和信息保存时间。于是,一种为了取代NAND的技术被开发出来,这就是“3D内存”。但是早期3D内存的概念和今天所提出的并不一样。早在2000年初,Matrix Semiconductor公司就利用垂直叠放内存阵列取代水平放置内存阵列,开发出了3D内存设计。当时Matrix公司认为这种放置方式将降低成本。随后,Matrix与我国台湾的台积电开始合作生产这种芯片,但并没有获得市场的认可。主要原因就是这种内存是不可擦写的。也就是说,一旦数据被存储进去,就会永久保留,而不能删除。

SanDisk东芝联手开发3D内存

现在的情况不同了,SanDisk2005年耗资约2.5亿美元收购了Matrix,获得了其3D内存技术。而就在上个月,SanDisk在一份提交给美国股票市场管理机构的文件中透露,该公司将与东芝联手开发和生产可重写的3D内存。“可重写”3个字也许会令3D内存获得市场青睐。毕竟,3D内存芯片保存信息的时间据一些人称可长达100年,大大长于NAND闪存的几十年保存期,但此数据无从考证。更主要的是,排列方式的变化,令内存容量可以呈几何数字增长。不过近期我们也不能指望3D内存能在市场上掀起什么风浪。因为Forward Insights研究公司总裁Gregory Wong认为,可以与NAND闪存竞争的3D内存芯片需要3~4年的时间。因为3D内存存在的麻烦是这种芯片可能难以大批量生产。

那么现在可重写的3D内存是怎样一种结构呢?几年前,东芝开发出了一种叫做BiCS(Bit Cost Memory)的垂直叠放内存阵列的可重写3D闪存。但只是实用样本芯片,没有在市场普及起来。3D可重写内存由堆叠的垂直二极管阵列组成。而目前只有4层堆叠的内存单元的芯片在大批量利用先进技术生产。2003年,Matrix曾展示了一种8层堆叠芯片,但这种芯片采用不太先进的250纳米工艺生产,而不是4层堆叠内存普遍采用的80纳米工艺。此次SanDisk和东芝计划将他们的知识产权和工程人才组合在一起,进一步开发3D内存芯片和生产技术。Wong说:“利用先进技术生产8层内存堆叠完全是另一回事。”

TSV功不可没 芯片堆叠提升容量

之所以现在3D内存可以取得技术上的突破,也得益于IBM的“穿透硅通道(TSV)”技术。当年IBM取得这项技术重大突破时曾认为,“很快就能提供商用的堆叠式3D处理器芯片”。其实,英特尔公司早在2005年就率先投入了TSV技术的研发,其80nm核心处理器中就有这种技术的身影。

IBM的“穿透硅通道”技术可以以更低的功耗、更强的性能、更高的效率将多个或多种芯片互连在一起。TSV技术不仅可以连接两块芯片内的不同核心,还能将处理器和内存等不同部件连在一起,并通过数千个微小的连线传输数据,比如在硅锗芯片中,通过钻出许多细微的孔洞,并以钨材料填充,就能得到TSV。相比之下,目前的芯片大多使用总线通道传输数据,容易造成堵塞、影响效率。更加节能也是TSV的特色之一。据称,TSV可将硅锗芯片的功耗降低大约40%

IBMTSV技术类似,三星也是将多块芯片堆叠在一起,然后在硅片上钻出微小的孔洞,并以铜材料填充,开发出了一款堆叠式“3D”内存芯片,内存条的容量因此大大增加。三星的这种“晶圆级堆叠封装”(WSP)内存芯片由4512M DDR2芯片组成,总容量2GB。因此,如果用来生产DDR2 DIMM内存条,就可以得到4GB的容量—双面、16颗芯片。虽然现在已经有了8GBDDR2内存条,比如主流内存厂商美国Kingston公司用于服务器的单条8GB内存。另外,据Kingston公司市场部门透露,16GB的单条内存正在研发中(+本站微信networkworldweixin),很快就会上市。但无论如何,使用WSPTSV技术的产品前景无疑更为广阔。

现有的一般性多芯片堆叠技术通常需要线路来连接多个芯片,在堆叠芯片外部也有导线相连,而TSV就不用这些额外的线路,因而封装厚度更薄、体积更小,印刷电路板的制作也更简单。三星还特别指出,WSP DRAM内存芯片中的TSV周围环绕着铝衬垫,目的是“避免重分布层导致的性能下降效应”。三星相信,这种独特的新技术不但可以给未来的DDR3内存带来1.6Gb/s的更高速度,还能有效降低内存的功耗。

另外,由于改用垂直方式堆叠成“3D”芯片,TSV还能大大节约主板空间。目前也有垂直堆叠芯片,但都是通过总线互连,因此不具备TSV的高带宽优势,因为TSV是直接连接顶部芯片和底部芯片的。再过几年,TSV技术有望直接连接处理器与内存,因此内存控制器将成为无用之物。在这种情况下,TSV可以带来10%的性能提升和20%的能耗节约。

芯片级制造终将走向高度集成

长久以来,3D芯片都是IC制造商的目标,但发展之路至今并不轻松。多少年来,业界一直探求在晶圆表面上集成有源电路,而非仅仅互连电路的可能性。但基于多种因素,业界并未能向世人证明存在这样一个现实需求,其中一个不利因素就是成本。其实除了Matrix,还有一家公司在这方面做出过贡献。Tezzaron半导体公司曾在晶圆级将器件邦定在一起,即将微控制器芯片与SRAM内存堆叠在一起。通过将两种芯片设计成这种结构,内存与ALU之间的距离显著缩短,而性能却得以增加。但同样是成品率造成的成本问题,Tezzaron半导体公司的技术也没有得到更好的发展。

现在,业界对3D芯片在满足速度、密度和低功耗需求方面寄予厚望,使之可以面向移动电话、便携设备和其他产品等应用。可以预见,未来的芯片级制造的技术发展方向就是高度集成,这是在当前能源紧缺,空间紧张的现实环境下必须趟出的一条路。现在看来,“3D内存”在未来几年中,可能会最先得到市场的认可。

NAND内存与3D内存技术对比

[责任编辑:程永来 cheng_yonglai@cnw.com.cn]