eng
Формирование рынка энергонезависимой флеш-памяти началось в 1987 году. За последующие более чем 20 лет технология флеш-памяти непрерывно совершенствовалась, и цена ее падала. Благодаря широкому применению в портативных электронных устройствах и потребительских товарах флеш-память стала одним из самых быстрых развивающихся полупроводниковых запоминающих устройств. Ключевой тип флеш-памяти – память NAND-типа, которая на протяжении последнего десятилетия стимулировала развитие цифровых бытовых устройств (цифровых видеокамер, плееров и мобильных телефонов). Сейчас, когда рынок восстанавливается после кризиса 2008–2009 годов, на рынке флеш-памяти развернулась упорная борьба основных производителей за первенство и выпуск NAND-памяти с ячейками, хранящими 3 и 4 бита данных (х3- и х4-ячейками). Однако сегодня удержать ведущие позиции на рынке флеш-памяти, на котором непрерывно появляются новые и усовершенствованные энергонезависимые запоминающие устройства, – далеко не простая задача. С ростом потребности в увеличении объема памяти ведущие компании обращают все больше внимания на улучшение характеристик записи и считывания ячеек памяти, хранящих более одного бита. Каковы же тенденции в области флеш-памяти и на что направлены основные усилия ее разработчиков?
Формирование рынка энергонезависимой флеш-памяти началось в 1987 году. За последующие более чем 20 лет технология флеш-памяти непрерывно совершенствовалась, и цена ее падала. Благодаря широкому применению в портативных электронных устройствах и потребительских товарах флеш-память стала одним из самых быстрых развивающихся полупроводниковых запоминающих устройств. Ключевой тип флеш-памяти – память NAND-типа, которая на протяжении последнего десятилетия стимулировала развитие цифровых бытовых устройств (цифровых видеокамер, плееров и мобильных телефонов). Сейчас, когда рынок восстанавливается после кризиса 2008–2009 годов, на рынке флеш-памяти развернулась упорная борьба основных производителей за первенство и выпуск NAND-памяти с ячейками, хранящими 3 и 4 бита данных (х3- и х4-ячейками). Однако сегодня удержать ведущие позиции на рынке флеш-памяти, на котором непрерывно появляются новые и усовершенствованные энергонезависимые запоминающие устройства, – далеко не простая задача. С ростом потребности в увеличении объема памяти ведущие компании обращают все больше внимания на улучшение характеристик записи и считывания ячеек памяти, хранящих более одного бита. Каковы же тенденции в области флеш-памяти и на что направлены основные усилия ее разработчиков?
Флеш-память NOR- и NAND-типов
Сегодня на рынке преобладают два основных типа флеш-памяти: NOR-типа, в основе которой лежит элемент НЕ-ИЛИ, и NAND-типа на основе элемента НЕ-И. Флеш-память NOR-типа характеризуется высокой скоростью считывания, малыми значениями скорости записи и стирания, возможностью произвольной выборки, но вместе с тем относительно малой емкостью. Структура NOR-памяти обеспечивает произвольный доступ к любой ячейке и побайтовую запись данных, поэтому микропроцессор может непосредственно обращаться к любому адресу так же, как к масочному ПЗУ или СОЗУ. Правда, при модификации системы и переходе к микросхемам большей емкости необходимо предоставлять дополнительные адресные линии. Время считывания микросхем NAND-типа, наоборот, относительно велико, тогда как значения их времени записи и стирания малы. Размер запоминающей ячейки NAND флеш-памяти в несколько раз меньше, а значит, емкость такой памяти больше, чем у NOR-флеш, выполненной с аналогичными топологическими нормами. Следовательно, удельная стоимость памяти этого типа в пересчете на единицу информации также меньше. Интерфейс памяти NAND-типа требует последовательной адресации и не допускает прямой адресации по адресным шинам. NAND-память имеет регистры команд, адреса и данных. Несмотря на то, что последовательный интерфейс флеш-памяти этого типа более громоздкий, чем интерфейс прямой адресации NOR-памяти, отличительным его преимуществом является относительная легкость модификации и переход на микросхемы большей емкости. Благодаря особенностям непрямого интерфейса расположение внешних выводов и подключение к шине данных не изменяется при увеличении емкости памяти. Это аналогия интерфейса жесткого диска.
В результате NOR-память идеально подходит для хранения непосредственно выполняемого кода, например кода загрузки или выполнения прикладной программы сотовых телефонов (в 2009 году было отгружено 1,1 млрд. сотовых телефонов, в 2010-м ожидается, что объем их отгрузок составит 1,2 млрд. устройств). Память этого типа находит применение и в системах, для которых время задержки считывания не является критичным фактором.
Однако рост популярности 3G беспроводных сетей связи стимулировал увеличение объема памяти мобильных телефонов. При этом объем кода увеличивается незначительно, тогда как требуемый объем памяти для хранения данных пользователя быстро растет. Обычно размер кода современных мультимедийных мобильных телефонов не превышает 32 Мбайт, а объем памяти – 128 Мбайт. Это накладывает особые требования к памяти, а именно, обеспечение достаточно низкой удельной стоимости в пересчете на емкость памяти, высокой пропускной способности модулей и плат памяти (рис.1). И для систем, требующих хранения большого объема данных, высоких скоростей программирования и стирания, предпочтение отдается памяти NAND-типа.
Сейчас емкость NAND-памяти большинства сотовых телефонов высших моделей составляет 32 Гбайт, к 2011 году она, согласно прогнозам, возрастет до 128 Гбайт. И сейчас в сотовых телефонах старших моделей, в том числе и в смартфонах, память NAND-типа все активнее вытесняет NOR-флеш. При этом в 60% таких телефонов используется сочетание NAND-флеш и ОЗУ. В моделях среднего и младшего уровней применяется сочетание NOR-памяти и ОЗУ, а в самых дешевых моделях – по-прежнему только память NOR-типа. Таким образом, сегодня NAND-память является основным типом флеш-памяти, способствующим развитию цифровых бытовых устройств и мобильных средств связи.
Рынок флеш-памяти
Флеш-память NOR-типа
Рынок флеш-памяти NOR-типа всегда был достаточно большим, хотя и малоприбыльным. По оценкам компании IC Insights, объем продаж флеш-памяти этого типа в 2010 году составит 4,497 млрд. долл. против 4,409 млрд. долл. в 2009-м, т.е. будет практически стабильным. Это обусловлено тем, что, несмотря на увеличение объема продаж NOR-микросхем в натуральном выражении на 13%, падение цен на них составит 10%. Отсюда – увеличение продаж в стоимостном выражении всего на 2%.
Тем не менее, в начале 2010 года один из основных производителей флеш-памяти в США – компания Micron Technology – объявила о приобретении крупнейшего изготовителя микросхем NOR-памяти – швейцарской компании Numonyx, основанной Intel и STMicroelectronics в 2008 году. Сумма сделки оценивается в 1,27 млрд. долл. В начале 2008 года компания Numonyx объявила о начале поставок опытных образцов NOR-памяти с возможностью записи 2 бит в ячейку, или с многоуровневыми ячейками (Multi-Level Cell, MLC) емкостью 1 Гбит, выполненной на основе StartaFlash архитектуры по 45-нм технологии. Новая микросхема полностью совместима по выводам с серийно выпускаемыми микросхемами MLC NOR-флеш предыдущего поколения с минимальными размерами элементов 65 нм. Помимо NOR- и NAND-памяти, компания Numonyx разрабатывает память на основе фазовых переходов (Phase-Change Memory, PCM) которая, как ожидается, в будущем сможет заменить NAND-флеш. Таким образом, по-видимому, Micron Technology в результате приобретения Numonyx станет, как и Samsung, поставлять в "одном окне" все типы пользующихся большим спросом микросхем памяти: NOR-, NAND-флеш и ДОЗУ.
На рынке флеш-памяти NOR-типа основные конкуренты Micron Technology – компании Macronix International, Microchip Technology, Samsung, Spansion. Правда, сейчас каналы поставок памяти этого типа весьма неустойчивы или, в лучшем случае, беспорядочны. Так, усилия компании Spansion в основном направлены на избежание банкротства и на создание встраиваемых устройств. Неясно, продолжит ли компания Microchip Technology, которая недавно приобрела изготовителя NOR-памяти – Silicon Storage Technology, – поставлять автономные микросхемы памяти. А компания Samsung Electronics – весьма "закрытый" производитель.
Флеш-память NAND-типа
В 2009 году на рынке флеш-памяти NAND-типа произошли разительные перемены. В злополучном 2008 году поставщики памяти этого типа потеряли веру в возможность развития рынка этих микросхем. Стремясь решить проблему дефицита бюджетных средств, производители NAND-памяти закрыли часть своих предприятий по выпуску микросхем памяти этого типа на пластинах диаметром 200 мм. По оценкам компании Web-Feet Research (США), специализирующейся в области анализа рынка схем памяти и накопителей, поставщики флеш-памяти к первому кварталу 2009 года сократили производственные мощности на 18,5%, а капитальные затраты, по данным IC Insights, – на 73%, или до 3 млрд. долл. Существенного роста капитальных затрат не ожидается и в 2010 году. Эти меры позволили ликвидировать перепроизводство памяти, повысить цены на нее (рис.2), укрепить баланс между спросом и предложением и получить доход. При этом в основном возросли цены на микросхемы многоуровневой флеш-памяти, тогда как цены на одноуровневую (Single-Level Cell, SLC) память с однобитовой ячейкой памяти практически не менялись. И уже во втором квартале 2009 года MLC флеш-память NAND-типа емкостью 16 Гбит в среднем стоила ~4 долл., тогда как в четвертом квартале 2008 года такую же микросхему можно было купить за 1,8 долл. Эти цифры свидетельствуют не только о крайне тяжелом положении в области производства флеш-памяти в 2008 году, но и об интенсивности мер, предпринятых по выходу из него. С установлением твердого спроса на флеш-память надежды поставщиков возросли, и 2010-й, как и 2011-й годы выглядят достаточно перспективными для рынка флеш-памяти NAND-типа.
Рост спроса при минимальном вводе в строй новых производственных мощностей или модернизации существующих привел к росту средних цен на NAND-память, который может продлиться до 2012 года, когда, наконец, появятся новые производственные линии. В дальнейшем цена флеш-памяти NAND-типа вновь будет падать. Тем не менее, эксперты компании Gartner считают, что доходы поставщиков NAND-памяти в 2010 году возрастут на 20%. Аналогична и оценка рынка флеш-памяти NAND-типа компанией iSupply, по данным которой доходы поставщиков памяти этого типа в 2010 году возрастут на 16,4% (для сравнения, по оценкам iSupply, доходы от продаж полупроводниковых приборов в целом в этом году увеличатся на 12,4%). А по расчетам крупного мирового поставщика инновационных запоминающих устройств на основе флеш-памяти – компании SanDisk, к 2013 году общая емкость отгруженной флеш-памяти NAND-типа составит 1020 байт. (В 2007 году емкость отгруженных микросхем NAND флеш-памяти в целом была равна 1,9×1018 байт, что уже превысило общую емкость отгруженных схем ДОЗУ за всю историю их развития.) В целом, по расчетам компании Web-Feet Research, благодаря постепенному восстановлению рынка доходы от продаж энергонезависимой флеш-памяти в 2009 году должны составить 18,4 млрд. долл. Компания Forward Insights оценивает рынок NAND-памяти в 2010 году в 9,5 млрд. долл. и в 26,5 млрд. долл. к 2013 году.
По данным iSupply, основным поставщиком флеш-памяти NAND-типа по состоянию рынка на третий квартал 2009 года по-прежнему являлась компания Samsung, хотя ей на пятки наступала Toshiba – лидер по поставке MLC-микросхем с тремя битами на ячейку. Третье место занимала компания Hynix, за которой следовали Micron, Intel и Numonyx (табл.1). Микросхемы памяти компании Micron Technology хорошо известны на рынке компонентов для бытовых систем, тогда как Intel в основном разрабатывает NAND-память для выпускаемых ею на рынок твердотельных накопителей (Solid-State Disks, SSD). При этом время от времени возникают слухи, что Intel намерена прекратить работы в области NAND-памяти из-за низкой маржи. Станет ли 2010 год годом выхода из этого сектора компании, представляющей собой крупнейшего игрока на рынке полупроводниковых приборов?
Тенденции рынка NAND-памяти
Во вступительном докладе на саммите 2009 года, посвященном флеш-памяти, основатель, председатель правления и президент компании SanDisk Эли Хэрари (Eli Harari) предупредил участников о возникшем "разрыве" между производственными мощностями и спросом на рынке NAND-памяти. Относительно слабая бизнес-модель NAND флеш-памяти 2008 года привела к тому, что строительство новых предприятий по выпуску микросхем этого типа стало для поставщиков "малопривлекательным". Но чтобы удовлетворить спрос на схемы памяти этого типа, поставщикам в 2010–2013 годы придется увеличить капитальные затраты до 25–30 млрд. долл. Поскольку цены на NAND-флеш в этот период будут падать, доходы поставщиков не превысят 20 млрд. долл., т.е. модель эффективности инвестиций не будет работать. К тому же, из-за высоких капитальных затрат при производстве флеш-памяти не стоит ожидать перехода от пластин диаметром 300 мм к 450-мм пластинам. Таким образом, промышленность флеш-памяти сегодня находится на распутье.
Сейчас на рынке флеш-памяти NAND-типа в основном представлены микросхемы с MLC-ячейками (х2-ячейками). По оценкам Хэрари, в период 2009–2015 годы усилия производителей в основном будут направлены на дальнейшее уменьшение размеров ячеек флеш-памяти и создание микросхем с х3- и х4-ячейками. При этом, как отмечает вице-президент по маркетингу компании Samsung Джим Эллиот (Jim Elliott), х3-память все больше будет использоваться в компьютерах потребительского класса, тогда как х4-память – в USB-флеш накопителях – флешках.
Традиционные области применения флеш-памяти NOR- и NAND-типов размываются, и сегодня во многих новых гаджетах, в первую очередь смартфонах, используются оба типа флеш-памяти, выполненные на единой платформе. Рост популярности смартфонов с их непрерывно расширяющимися мультимедийными возможностями стимулирует разработку все более "разумной" памяти. Идеальная память смартфона должна поддерживать все его функции, иметь приемлемую стоимость и обеспечивать как надежность хранения критичного кода, так и емкость, требуемую для записи данных пользователя. Но средняя стоимость высоконадежных микросхем одноуровневых NAND-памяти, на основе которых сейчас в основном реализуются твердотельные накопители, высока. Так, удельная стоимость магнитного накопителя в пересчете на гигабайт составляет 25 центов, тогда как стоимость флеш-памяти емкостью 16 Гбайт – 30 долл. И к тому же, флеш-память по значению времени ожидания на два поколения отстает от магнитных накопителей.
Вот почему разработчики сегодня уделяют столь пристальное внимание гибридной флеш-памяти, сочетающей SLC и MLC NAND-ячейки. Ресурс SLC-блока достигает 50 тыс. циклов записи, тогда как ресурс MLC-блока меньше – 10 тыс. циклов. Таким образом, SLC-блок пригоден для хранения кода, требующего высокой надежности и производительности памяти, или часто обновляемых данных, а MLC-блок – для хранения данных пользователя и универсального кода, не требующего большого числа операций считывания. Разработчики систем при использовании гибридной памяти могут в соответствии со своими потребностями выделять объем SLC-памяти для хранения критичного кода, оставляя остальной объем для хранения данных пользователя (рис.3). Гибридные блоки NAND-памяти уже имеются в представленных на рынке мобильных телефонах высшего класса, таких как музыкальные телефоны или телефоны с функциями навигатора.
Потребность в гибридной NAND-памяти стимулировала разработку новых стандартов для нее. В последнее время популярными стали устройства памяти стандарта eMMC (встраиваемых мультимедийных карт), выпущенного в 2006 году Объединенным инженерным советом по электронным устройствам (JEDEC). Микросхема флеш-памяти стандарта eMMC имеет простой интерфейс и контроллер, позволяющий разработчику игнорировать изменения NAND-флеш технологии, касающиеся схем корректировки ошибок, размеров страницы и блоков, техники распределения нагрузки на блоки с тем, чтобы один блок флеш-памяти не стирался слишком часто и т.п. Выпущенная в 2009 году версия 4.4 этого стандарта позволяет определять, какая часть памяти будет работать в режиме SLC-памяти (с улучшенными характеристиками) и какая часть – в режиме MLC-памяти.
Но, по мнению большинства экспертов, реальный рост рынка NAND-флеш, выражаемый в общей емкости отгруженной памяти, обеспечит реализацию на их основе твердотельных накопителей (Solid State Drives, SSD). Ежегодный прирост рынка твердотельных накопителей не превысит прирост рынка мобильных телефонов, и к 2013 году составит 100 млн. устройств в год. Однако каждый накопитель содержит значительно больше микросхем флеш-памяти NAND-типа, чем все другие приложения флеш-памяти (рис.4).
Но, по мнению компании Sun Microsystems, сейчас производители флеш-памяти идут по "ложному пути", соревнуясь в гонке на выживание путем совершенствования технологии, следуя закону Мура и не принимая во внимание нужды производителей промышленных систем – основных потребителей твердотельных накопителей. И хотя сейчас уже многие поставщики, ранее производящие флеш-память в основном для потребительских устройств – МР3-плееров, сотовых телефонов, карт памяти, флешек и др., – выпускают твердотельные накопители и для промышленных систем, положение на рынке промышленных твердотельных накопителей не улучшается. Требования к накопителям для двух областей применения различны. Твердотельные накопители для промышленных систем должны быть надежны и иметь большой ресурс, тогда как бытовые устройства, в которых применяются твердотельные накопители (в первую очередь нетбуки и отчасти ноутбуки), менее требовательны к этим параметрам. Однако производители флеш-памяти стремятся прежде всего уменьшать размеры элементов. И если сейчас проектные нормы микросхем NAND-памяти уже составляют 32 нм, то в ближайшем будущем они будут менее 20 нм. Это значит, что все интенсивнее будет совершенствоваться технология микросхем флеш-памяти с х3- и х4-ячейками, степень безотказности и ресурс которых недостаточны для твердотельных накопителей. Уже сегодня только небольшое число современных микросхем MLC флеш-памяти с топологическими нормами менее 50 нм пригодны для выполнения функций твердотельных накопителей промышленных систем. Производители комплектного промышленного оборудования нуждаются в более надежных микросхемах NAND-памяти предыдущих поколений, выполненных по 63- и 59-нм технологиям. Но таких микросхем сегодня поставляется мало. Таким образом, по мнению промышленных экспертов, в 2010 году не следует ожидать существенных достижений в области твердотельных накопителей.
С увеличением числа разрядов в ячейке NAND-памяти запись и считывание данных, хранимых на восьми или 16-ти уровнях порогового напряжения (х3- и х4-ячеек соответственно), становится все более сложной задачей. В флеш-памяти с MLC-ячейкой различие между двумя уровнями порогового напряжения равно ~1,5 В. Но в четырехбитовой ячейке это различие составляет всего 0,2 В. Это приводит к увеличению частоты появления ошибочных битов в флеш-памяти с х4-ячейкой. В результате при увеличении числа разрядов ячейки и ее масштабировании необходимо усложнять схему корректировки ошибок, вводя большее число контрольных битов. Кроме того, для программирования и считывания х4-ячейки требуется большое число импульсов, что вызывает усиление связи между плавающими затворами ячеек памяти и, тем самым, рост помех. Для сохранения целостности данных и эффективности памяти алгоритмы программирования и считывания должны учитывать такие помехи. В итоге сейчас NAND-память с х4-ячейками по скорости программирования (0,62 Мбайт/с) сопоставима с флеш-памятью NOR-типа.
В связи с относительно малым быстродействием "сырой" NAND-памяти с х4-ячейками возрастает роль контроллера памяти, обеспечивающего управление памятью в различных приложениях. Следует ожидать перехода от "сырых" микросхем NAND-памяти к микросхемам управляемой NAND-памяти. А это потребует более тесного сотрудничества изготовителей микросхем флеш-памяти и компаний, разрабатывающих контроллеры для них.
Проблема программирования и считывания восьми или 16-ти мало различающихся уровней напряжения небольших ячеек памяти требует не только совершенствования контроллеров флеш-памяти, но и принятия инновационных конструктивных решений и топологии подобной энергонезависимой памяти. Что же делается в этом направлении?
Пути совершенствования NAND флеш-памяти
Доклады, представленные на Международной конференции по твердотельным схемам (ISSCC) 2008 года и посвященные схемам памяти, показали новые тенденции в области совершенствования архитектуры, конструктивного исполнения и технологических процессов изготовления, а также повышения быстродействия флеш-памяти NAND-типа.
Асинхронный интерфейс NAND-памяти считается одним из основных "узких мест" этих устройств, ограничивающих их применение в системах, требующих высокой производительности. Компании Intel и Micron Technology решили эту проблему, создав NAND флеш-память емкостью 8 Гбит с интерфейсом с двойной скоростью передачи данных (DDR), отвечающим стандарту консорциума ONFi и обеспечивающим ввод-вывод данных со скоростью 200 Мбайт/с. Благодаря применению архитектуры с четырьмя банками данных и 4n предвыборкой тракта данных, присущих DDR синхронным ДОЗУ, флеш-память может поддерживать как асинхронный, так и DDR2 синхронный интерфейсы. Чтобы добиться высоких скоростей программирования и считывания, микросхема выполнена с одноуровневыми ячейками. Правда, такая микросхема почти на 50% дороже эквивалентной ей 16-Гбит MLC-памяти компании Toshiba, выполненной по 56-нм технологии. Но при этом размеры микросхемы памяти Toshiba на 7% больше. Очевидно, NAND-флеш компаний Intel и Micron первоначально найдет применение в твердотельных накопителях, игровых консолях и серверах высшего класса.
Особый интерес вызвали три микросхемы NAND флеш-памяти, разработанные компаниями SanDisk и Toshiba, с архитектурой одновременного считывания всех разрядных шин, подсоединенных к страничным буферам (All-Bit Line, ABL), в отличие от обычных микросхем, в которых ячейки считываются вдоль заданной шины слов. По утверждению разработчиков, благодаря ABL-архитектуре им удалось в 3,4 раза повысить скорость программирования MCL NAND-памяти емкостью 1 Гбит в сравнении с аналогичной памятью с обычной архитектурой, выполненной по той же 56-нм технологии (табл.2). В одноуровневой NAND-памяти с ABL-архитектурой скорость программирования составляет 60 Мбайт/с.
В NAND-памяти с х3-ячейкой компании продемонстрированы пути решения проблем, возникающих при увеличении числа разрядов, хранимых в ячейке. Для подавления шума памяти и лучшего распределения энергии микросхема имеет архитектуру c циклическим сдвигом массива памяти (Rotated Array Architecture, RAA), что важно для х3-ячеек, поскольку наличие восьми уровней напряжения в одной ячейке флеш-памяти требует весьма строгого распределения порогового напряжения и точного считывания данных, хранимых в ячейке. Благодаря "продвижению" сигналов управления шины слов и разрядной шины ближе к массиву памяти и считыванию данных ячейки флеш-памяти путем отсчета локального напряжения шины слов относительно локального потенциала заземления в конструкции памяти с 3 бит/ячейку можно отслеживать изменения напряжения шин слов и разрядных шин. Это позволяет улучшить точность и скорость считывания и, тем самым, повысить производительность микросхемы памяти на 20%. Достигнутая для х3 NAND-памяти скорость программирования в 8 Мбайт/с составляет 80% от скорости программирования памяти с одноуровневыми ячейками, и на сегодняшний день это весьма высокий показатель.
Серьезной проблемой при переходе к малым топологическим нормам (менее 30 нм) становится ток утечки, вызванный перегрузкой (Stress-Induced Leakage Current, SILC), который влияет как на надежность флеш-памяти (время сохранения заряда на плавающем затворе), так и на скорости программирования и стирания. Компания SanDisk решила эту проблему, добавив к строке ячеек NAND-памяти две "фиктивные" шины слов (по одной с каждой стороны строки). Чтобы компенсировать увеличение размеров кристалла из-за появления двух дополнительных шин, строка содержит не 32, а 64 ячейки. Увеличение числа ячеек строки привело к росту ее сопротивления. Чтобы компенсировать сопротивление при считывании ячейки, расположенной в верхней части строки, требуется большее значение напряжения шины слов, и для подачи соответствующего напряжения на нужную шину слов в строке ячеек при программировании и считывании необходимо модулировать ее напряжение. В 32-Гбит NAND-памяти, выполненной по 34-нм технологии компаниями Intel и Micron, для этой цели используется регулятор напряжения ЦАП-типа. А компания Hynix применяет новый алгоритм программирования Start Bias Control (Управление началом смещения) и программу Smart Blind ("находчивый слепой"), что позволило увеличить скорость программирования более чем на 30% Разработки, представленные на конференции ISSCC 2008, а также экономические проблемы рынка NAND флеш-памяти того времени (перепроизводство и резкое падение цен) привели к активизации работ по созданию более дешевых х3 и х4 флеш-памяти. И в 2009 годы все крупные производители NAND-флеш выпустили или сообщили о разработке микросхем памяти с тремя или четырьмя битами на ячейку, выполненных по 40- или 30-нм технологии с существенно увеличенной эффективностью размещения ячеек на кристалле (табл.3).
В результате, по мнению промышленных обозревателей, в 2010 году х3 NAND флеш-память заменит до 70–80% MLC-памяти, используемой во флешках и картах памяти.
Следует отметить, что для 64-Гбит NAND-флеш с 43-нм проектными нормами компания SanDisk выпустила и х4-контроллер, монтируемый совместно с флеш-памятью в многокристальный модуль. В микроконтроллере реализована единственная в своем роде схема коррекции кода, разработанная для систем многоуровневой памяти и предназначенная специально для распределения 16-ти уровней напряжения, присущих х4-ячейке памяти. В разработку контроллера внесли вклад ученые Университета Тель-Авива, предоставившего компании SanDisk исключительную лицензию на свои разработки.
Гонка продолжается
В начале 2010 года компании Intel и Micron Technology объявили о создании MLC (х2) флеш-памяти емкостью 8 Гбайт, выполненной по 25-нм технологии, и восстановили технологическое лидерство на рынке NAND флеш-памяти, потеснив содружество SanDisk–Toshiba и компанию Samsung, объявивших ранее о выпуске 32- и 30-нм устройств. В отличие от предыдущих микросхем флеш-памяти с проектными нормами 50 и 34 нм, размер страницы которых составлял 4 Кбайт, объем страницы новой флеш-памяти равен 8 Кбайт. Размер блока увеличен со 128 до 256 страниц, что потребует некоторой реорганизации аппартно-программных средств. Но, очевидно, компания Intel к этому готова.
Сейчас опытные образцы 25-нм флеш-памяти, занимающей площадь кристалла в 167 мм2, выпускает венчурная фирма IM Flash Technologies, образованная в январе 2006 года компаниями Micron и Intel с целью производства на 300-мм пластинах флеш-памяти NAND-типа для бытовой электроники, твердотельных накопителей и портативных средств связи.
Появление микросхемы флеш-памяти со столь малыми проектными нормами, естественно, вызвало у промышленных обозревателей вопрос: как дуэт Intel-Micron сумел обойти законы физики, согласно которым предельная проектная норма, достигаемая с помощью современной иммерсионной литографии с источником излучения на базе лазера на фториде аргона (длина волны 193 нм), составляет не менее 35 нм. Предполагается, что фирме IM Flash Technologies удалось добиться столь внушительного результата не только с помощью современной иммерсионной литографии, но и метода экспонирования с двойным шаблоном и самовыравниванием (Self-Aligned Double-Patterning, SADP), или двухэтапного нанесения литографического рисунка на поверхность подложки. Возможно, IM Flash работает с литографическими установками компании ASML Holdings NV. Кроме того, возможно, IM Flash использует и некоторый вид технологии фазосдвигающих шаблонов. Эксперты отмечают, что SADP-метод хоть и дорог, но сегодня он единственно приемлемый метод формирования микросхем с проектными нормами 20 нм, который решает проблему корректировки выравнивания при наложении рисунка микросхемы.
По мнению создателей новой NAND флеш-памяти, это нужный прибор, появившийся в нужное время – на этапе восстановления рынка и роста спроса. Для изготовителей потребительских товаров 25-нм микросхема представляет собой NAND-память с наибольшей на сегодняшний день плотностью записи в ячейках, хранящих 2 бита, которую можно монтировать в стандартный корпус малого габарита типа TSOP. Для получения памяти большей емкости возможен монтаж нескольких 8-Гбайт микросхем. В результате теперь для реализации твердотельного накопителя емкостью 256 Гбайт нужны всего 32 микросхемы MLC NAND-флеш емкостью 8 Гбайт, вместо ранее требуемых 64 схем SLC-памяти. Для смартфона с памятью емкостью 32 Пбайт нужны будут всего четыре новые NAND-флеш, а флеш-карте памяти – только две такие микросхемы памяти.
Освоение массового производства новой флеш-памяти планируется на второй квартал 2010 года. Изделия на основе этой NAND-памяти потребители, вероятно, увидят в конце года.
Дуэт Intel-Micron каждые полтора года вдвое увеличивает емкость разрабатываемых микросхем NAND флеш-памяти, правда в основном за счет масштабирования. Возможно, в середине 2011 года компания IM Flash начнет отгрузки опытных образцов с еще меньшими проектными нормами, а в 2012-м освоит их массовое производство.
Но Intel-Micron не единственные разработчики NAND-флеш с минимальными размерами элементов в диапазоне 20 нм. На пятки этому дуэту наступают компании Hynix, которая готовит к выпуску в третьем квартале 2010 года микросхему флеш-памяти емкостью 8 Гбайт, выполненную по 26-нм технологии (рис.5), и Samsung, планирующая во втором квартале 2010 года начать производство памяти с 25-нм нормами. Правда, тип (SLC или MLC) микросхем памяти обе компании не указывают.
Не намерено терять свои позиции технологического лидера и содружество SanDisk–Toshiba, которое в начале марта объявило о намерении выпустить во второй половине 2010 года NAND-флеш с проектными нормами 24 нм. При этом первоначально планируется выпустить флеш-память с х2-ячейкой и вскоре за ней – х3-память, которую в основном будет производить завод 4 компании SanDisk с производительностью 165 тыс. пластин в месяц.
Не только транзисторы с плавающим затвором
При масштабировании разработчики все чаще сталкиваются с такими проблемами, как помехи, вносимые в результате увеличения коэффициента связи между соседними плавающими затворами и тока утечки, вызванного перегрузкой, что ограничивает толщину туннельного оксида (не менее 80 нм). Эти проблемы могут быть решены за счет применения новых диэлектрических материалов (с низким значением диэлектрической постоянной k в качестве изолирующего диэлектрика и с высоким k – в качестве диэлектрика, разделяющего поликремниевые затворы). Кроме того, справиться с этими проблемами можно, уменьшив потери заряда при туннелировании электронов за счет введения дополнительных присадок в туннельный окисел.
Еще один ключевой подход к совершенствованию NAND флеш-памяти заключаются в создании структур, в которых плавающие затворы отсутствуют, таких как SONOS-структуры, в которых реализуется другой механизм захвата заряда. В такой структуре, в отличие от флеш-памяти с плавающим затвором, в котором хранится свободный заряд, носители захватываются ловушками изолирующего слоя нитрида кремния и не свободны. Это позволяет существенно уменьшить толщину туннельного оксида, а значит увеличить скорости и уменьшить напряжение программирования и стирания данных, улучшить надежность и радиационную стойкость флеш-памяти. В результате замены поликремниевого плавающего затвора относительно большой толщины более тонким слоем нитрида кремния структура памяти по высоте оказывается сопоставимой с стандартными КМОП-транзисторами и упрощается процесс изготовления встраиваемых энергонезависимых микросхем памяти и расширяются пределы масштабирования. Ресурс SONOS флеш-памяти составляет 106 циклов. Проводимые в последнее время работы по получению нитридного слоя с большой концентрацией ловушек, энергетические уровни которых расположены глубоко в запретной зоне диэлектрика, позволяют существенно расширить окно напряжения программирования/стирания и увеличить ресурс памяти. А методы окисления нитрида в высокоплотной плазме или плазменной нитридации слоя оксида относительно большой толщины позволяют уменьшить разброс верхнего оксидного слоя по толщине, который существенно влияет на характеристики SONOS-памяти.
Интерес представляет сообщение компании Toshiba на Международной конференции по электронным приборам (International Electron Devices Meeting, IEDM) 2007 года о разработанной микросхеме SONOS флеш-памяти, емкость которой может составить 12,5 Гбайт. Основное внимание специалисты компании уделили совершенствованию структуры микросхемы. Главное нововведение – наличие двух туннельных слоев оксида (верхнего толщиной 6,5 нм и нижнего толщиной 1 нм), между которыми заключен слой кристаллического кремния толщиной 1 нм, за счет которого и осуществляется чтение/запись данных с высокой скоростью, а также обеспечивается их долговременное хранение. Кроме того, Si3N4 в структуре компании заменен на Si9N10, благодаря чему удалось увеличить концентрацию носителей заряда и, следовательно, улучшить параметры работы флеш-памяти в целом.
Правда, следует отметить, что хотя такая модернизация и позволяет значительно увеличить емкость и пропускную способность памяти, но требует разработки более "тонкой" технологии изготовления микросхем.
Перспективным решением, которое позволит преодолеть ограничения масштабирования флеш-памяти, представляется структура захвата заряда на основе TANOS-ячеек (TaN-Al2O3-SiN-Oxide-Si), которая отличается высокой термостабильностью и довольно высокой работой выхода (14,8 В), что позволяет улучшить время стирания ячейки с захватом заряда. Однако для ее реализации необходимы материалы с улучшенными свойствами. В первую очередь это касается свойств диэлектрика, используемого для формирования слоя захвата носителей заряда, а также качества границ раздела диэлектрических композиционных материалов и разработки блокирующего слоя с более высокой диэлектрической постоянной, чем у Al2O3 и HfO2.
В дальнейшем особое внимание будет уделяться формированию все большего числа слоев памяти в вертикальном измерении, то есть созданию трехмерной (3D) памяти. В трехмерном варианте SONOS-памяти NAND-типа компании Toshiba (рис.6) реализована вертикальная строка ячеек, формируемая многочисленными гальванослоями, служащими управляющими затворами поликремниевых транзисторов, работающих в режиме обеднения и расположенных в вертикальной колонке памяти. В этой структуре весь набор управляющих затворов реализуется за одну операцию литографии. Этот метод дешевле, чем технология многослойной NAND-памяти, когда каждый слой формируется с помощью критического процесса литографии.
Безусловно, масштабирование элементов NAND флеш-памяти дает внушительные результаты. Флеш-память оказалась одним из локомотивов развития современных потребительских устройств, которые благодаря ей стали быстрее и миниатюрнее. Перспективны NAND-флеш и для применения в твердотельных накопителях. Масштабирование наряду с переходом к х3- и х4-ячейкам будет продолжаться. Но, по мнению как специалистов ведущего производителя этих микросхем – Micron Technology, а также основателя и главного аналитика компании Forward Insights Грегори Вонга, в ближайшие четыре-пять лет промышленность NAND-памяти столкнется с серьезными и труднопреодолимыми проблемами масштабирования. Конечно, не стоит ожидать быстрого отмирания флеш-памяти. Современные 30- и 25-нм техпроцессы позволят выпускать микросхемы памяти, емкость которых будут достаточна для удовлетворения потребности пользователей еще многие годы. Но дальнейшая миниатюризация требует применения так называемой "универсальной" памяти — памяти с изменением фазового состояния (PCM), магниторезистивной (MRAM), сегнетоэлектрической (FRAM), резистивной (RRAM). Эти устройства памяти разрабатываются уже достаточно давно, но пока ощутимых результатов нет. И хотя доклады, представленные на конференции ISSCC 2010, отражали успехи, достигнутые в этом направлении, по мнению экспертов, они в отличие от докладов предыдущих конференций не произвели большого впечатления.
Как долго будет продолжаться масштабирование флеш-памяти на основе транзисторов с плавающим затвором? Время покажет.
Флеш-память NOR- и NAND-типов
Сегодня на рынке преобладают два основных типа флеш-памяти: NOR-типа, в основе которой лежит элемент НЕ-ИЛИ, и NAND-типа на основе элемента НЕ-И. Флеш-память NOR-типа характеризуется высокой скоростью считывания, малыми значениями скорости записи и стирания, возможностью произвольной выборки, но вместе с тем относительно малой емкостью. Структура NOR-памяти обеспечивает произвольный доступ к любой ячейке и побайтовую запись данных, поэтому микропроцессор может непосредственно обращаться к любому адресу так же, как к масочному ПЗУ или СОЗУ. Правда, при модификации системы и переходе к микросхемам большей емкости необходимо предоставлять дополнительные адресные линии. Время считывания микросхем NAND-типа, наоборот, относительно велико, тогда как значения их времени записи и стирания малы. Размер запоминающей ячейки NAND флеш-памяти в несколько раз меньше, а значит, емкость такой памяти больше, чем у NOR-флеш, выполненной с аналогичными топологическими нормами. Следовательно, удельная стоимость памяти этого типа в пересчете на единицу информации также меньше. Интерфейс памяти NAND-типа требует последовательной адресации и не допускает прямой адресации по адресным шинам. NAND-память имеет регистры команд, адреса и данных. Несмотря на то, что последовательный интерфейс флеш-памяти этого типа более громоздкий, чем интерфейс прямой адресации NOR-памяти, отличительным его преимуществом является относительная легкость модификации и переход на микросхемы большей емкости. Благодаря особенностям непрямого интерфейса расположение внешних выводов и подключение к шине данных не изменяется при увеличении емкости памяти. Это аналогия интерфейса жесткого диска.
В результате NOR-память идеально подходит для хранения непосредственно выполняемого кода, например кода загрузки или выполнения прикладной программы сотовых телефонов (в 2009 году было отгружено 1,1 млрд. сотовых телефонов, в 2010-м ожидается, что объем их отгрузок составит 1,2 млрд. устройств). Память этого типа находит применение и в системах, для которых время задержки считывания не является критичным фактором.
Однако рост популярности 3G беспроводных сетей связи стимулировал увеличение объема памяти мобильных телефонов. При этом объем кода увеличивается незначительно, тогда как требуемый объем памяти для хранения данных пользователя быстро растет. Обычно размер кода современных мультимедийных мобильных телефонов не превышает 32 Мбайт, а объем памяти – 128 Мбайт. Это накладывает особые требования к памяти, а именно, обеспечение достаточно низкой удельной стоимости в пересчете на емкость памяти, высокой пропускной способности модулей и плат памяти (рис.1). И для систем, требующих хранения большого объема данных, высоких скоростей программирования и стирания, предпочтение отдается памяти NAND-типа.
Сейчас емкость NAND-памяти большинства сотовых телефонов высших моделей составляет 32 Гбайт, к 2011 году она, согласно прогнозам, возрастет до 128 Гбайт. И сейчас в сотовых телефонах старших моделей, в том числе и в смартфонах, память NAND-типа все активнее вытесняет NOR-флеш. При этом в 60% таких телефонов используется сочетание NAND-флеш и ОЗУ. В моделях среднего и младшего уровней применяется сочетание NOR-памяти и ОЗУ, а в самых дешевых моделях – по-прежнему только память NOR-типа. Таким образом, сегодня NAND-память является основным типом флеш-памяти, способствующим развитию цифровых бытовых устройств и мобильных средств связи.
Рынок флеш-памяти
Флеш-память NOR-типа
Рынок флеш-памяти NOR-типа всегда был достаточно большим, хотя и малоприбыльным. По оценкам компании IC Insights, объем продаж флеш-памяти этого типа в 2010 году составит 4,497 млрд. долл. против 4,409 млрд. долл. в 2009-м, т.е. будет практически стабильным. Это обусловлено тем, что, несмотря на увеличение объема продаж NOR-микросхем в натуральном выражении на 13%, падение цен на них составит 10%. Отсюда – увеличение продаж в стоимостном выражении всего на 2%.
Тем не менее, в начале 2010 года один из основных производителей флеш-памяти в США – компания Micron Technology – объявила о приобретении крупнейшего изготовителя микросхем NOR-памяти – швейцарской компании Numonyx, основанной Intel и STMicroelectronics в 2008 году. Сумма сделки оценивается в 1,27 млрд. долл. В начале 2008 года компания Numonyx объявила о начале поставок опытных образцов NOR-памяти с возможностью записи 2 бит в ячейку, или с многоуровневыми ячейками (Multi-Level Cell, MLC) емкостью 1 Гбит, выполненной на основе StartaFlash архитектуры по 45-нм технологии. Новая микросхема полностью совместима по выводам с серийно выпускаемыми микросхемами MLC NOR-флеш предыдущего поколения с минимальными размерами элементов 65 нм. Помимо NOR- и NAND-памяти, компания Numonyx разрабатывает память на основе фазовых переходов (Phase-Change Memory, PCM) которая, как ожидается, в будущем сможет заменить NAND-флеш. Таким образом, по-видимому, Micron Technology в результате приобретения Numonyx станет, как и Samsung, поставлять в "одном окне" все типы пользующихся большим спросом микросхем памяти: NOR-, NAND-флеш и ДОЗУ.
Рис.1. Флеш-памяти NOR- и NAND-типов
На рынке флеш-памяти NOR-типа основные конкуренты Micron Technology – компании Macronix International, Microchip Technology, Samsung, Spansion. Правда, сейчас каналы поставок памяти этого типа весьма неустойчивы или, в лучшем случае, беспорядочны. Так, усилия компании Spansion в основном направлены на избежание банкротства и на создание встраиваемых устройств. Неясно, продолжит ли компания Microchip Technology, которая недавно приобрела изготовителя NOR-памяти – Silicon Storage Technology, – поставлять автономные микросхемы памяти. А компания Samsung Electronics – весьма "закрытый" производитель.
Флеш-память NAND-типа
В 2009 году на рынке флеш-памяти NAND-типа произошли разительные перемены. В злополучном 2008 году поставщики памяти этого типа потеряли веру в возможность развития рынка этих микросхем. Стремясь решить проблему дефицита бюджетных средств, производители NAND-памяти закрыли часть своих предприятий по выпуску микросхем памяти этого типа на пластинах диаметром 200 мм. По оценкам компании Web-Feet Research (США), специализирующейся в области анализа рынка схем памяти и накопителей, поставщики флеш-памяти к первому кварталу 2009 года сократили производственные мощности на 18,5%, а капитальные затраты, по данным IC Insights, – на 73%, или до 3 млрд. долл. Существенного роста капитальных затрат не ожидается и в 2010 году. Эти меры позволили ликвидировать перепроизводство памяти, повысить цены на нее (рис.2), укрепить баланс между спросом и предложением и получить доход. При этом в основном возросли цены на микросхемы многоуровневой флеш-памяти, тогда как цены на одноуровневую (Single-Level Cell, SLC) память с однобитовой ячейкой памяти практически не менялись. И уже во втором квартале 2009 года MLC флеш-память NAND-типа емкостью 16 Гбит в среднем стоила ~4 долл., тогда как в четвертом квартале 2008 года такую же микросхему можно было купить за 1,8 долл. Эти цифры свидетельствуют не только о крайне тяжелом положении в области производства флеш-памяти в 2008 году, но и об интенсивности мер, предпринятых по выходу из него. С установлением твердого спроса на флеш-память надежды поставщиков возросли, и 2010-й, как и 2011-й годы выглядят достаточно перспективными для рынка флеш-памяти NAND-типа.
Рис.2. Динамика изменения стоимости флеш-памяти NAND-типа
Рост спроса при минимальном вводе в строй новых производственных мощностей или модернизации существующих привел к росту средних цен на NAND-память, который может продлиться до 2012 года, когда, наконец, появятся новые производственные линии. В дальнейшем цена флеш-памяти NAND-типа вновь будет падать. Тем не менее, эксперты компании Gartner считают, что доходы поставщиков NAND-памяти в 2010 году возрастут на 20%. Аналогична и оценка рынка флеш-памяти NAND-типа компанией iSupply, по данным которой доходы поставщиков памяти этого типа в 2010 году возрастут на 16,4% (для сравнения, по оценкам iSupply, доходы от продаж полупроводниковых приборов в целом в этом году увеличатся на 12,4%). А по расчетам крупного мирового поставщика инновационных запоминающих устройств на основе флеш-памяти – компании SanDisk, к 2013 году общая емкость отгруженной флеш-памяти NAND-типа составит 1020 байт. (В 2007 году емкость отгруженных микросхем NAND флеш-памяти в целом была равна 1,9×1018 байт, что уже превысило общую емкость отгруженных схем ДОЗУ за всю историю их развития.) В целом, по расчетам компании Web-Feet Research, благодаря постепенному восстановлению рынка доходы от продаж энергонезависимой флеш-памяти в 2009 году должны составить 18,4 млрд. долл. Компания Forward Insights оценивает рынок NAND-памяти в 2010 году в 9,5 млрд. долл. и в 26,5 млрд. долл. к 2013 году.
По данным iSupply, основным поставщиком флеш-памяти NAND-типа по состоянию рынка на третий квартал 2009 года по-прежнему являлась компания Samsung, хотя ей на пятки наступала Toshiba – лидер по поставке MLC-микросхем с тремя битами на ячейку. Третье место занимала компания Hynix, за которой следовали Micron, Intel и Numonyx (табл.1). Микросхемы памяти компании Micron Technology хорошо известны на рынке компонентов для бытовых систем, тогда как Intel в основном разрабатывает NAND-память для выпускаемых ею на рынок твердотельных накопителей (Solid-State Disks, SSD). При этом время от времени возникают слухи, что Intel намерена прекратить работы в области NAND-памяти из-за низкой маржи. Станет ли 2010 год годом выхода из этого сектора компании, представляющей собой крупнейшего игрока на рынке полупроводниковых приборов?
Тенденции рынка NAND-памяти
Во вступительном докладе на саммите 2009 года, посвященном флеш-памяти, основатель, председатель правления и президент компании SanDisk Эли Хэрари (Eli Harari) предупредил участников о возникшем "разрыве" между производственными мощностями и спросом на рынке NAND-памяти. Относительно слабая бизнес-модель NAND флеш-памяти 2008 года привела к тому, что строительство новых предприятий по выпуску микросхем этого типа стало для поставщиков "малопривлекательным". Но чтобы удовлетворить спрос на схемы памяти этого типа, поставщикам в 2010–2013 годы придется увеличить капитальные затраты до 25–30 млрд. долл. Поскольку цены на NAND-флеш в этот период будут падать, доходы поставщиков не превысят 20 млрд. долл., т.е. модель эффективности инвестиций не будет работать. К тому же, из-за высоких капитальных затрат при производстве флеш-памяти не стоит ожидать перехода от пластин диаметром 300 мм к 450-мм пластинам. Таким образом, промышленность флеш-памяти сегодня находится на распутье.
Рис.3. Платформа гибридной флеш-памяти смартфона
Сейчас на рынке флеш-памяти NAND-типа в основном представлены микросхемы с MLC-ячейками (х2-ячейками). По оценкам Хэрари, в период 2009–2015 годы усилия производителей в основном будут направлены на дальнейшее уменьшение размеров ячеек флеш-памяти и создание микросхем с х3- и х4-ячейками. При этом, как отмечает вице-президент по маркетингу компании Samsung Джим Эллиот (Jim Elliott), х3-память все больше будет использоваться в компьютерах потребительского класса, тогда как х4-память – в USB-флеш накопителях – флешках.
Традиционные области применения флеш-памяти NOR- и NAND-типов размываются, и сегодня во многих новых гаджетах, в первую очередь смартфонах, используются оба типа флеш-памяти, выполненные на единой платформе. Рост популярности смартфонов с их непрерывно расширяющимися мультимедийными возможностями стимулирует разработку все более "разумной" памяти. Идеальная память смартфона должна поддерживать все его функции, иметь приемлемую стоимость и обеспечивать как надежность хранения критичного кода, так и емкость, требуемую для записи данных пользователя. Но средняя стоимость высоконадежных микросхем одноуровневых NAND-памяти, на основе которых сейчас в основном реализуются твердотельные накопители, высока. Так, удельная стоимость магнитного накопителя в пересчете на гигабайт составляет 25 центов, тогда как стоимость флеш-памяти емкостью 16 Гбайт – 30 долл. И к тому же, флеш-память по значению времени ожидания на два поколения отстает от магнитных накопителей.
Вот почему разработчики сегодня уделяют столь пристальное внимание гибридной флеш-памяти, сочетающей SLC и MLC NAND-ячейки. Ресурс SLC-блока достигает 50 тыс. циклов записи, тогда как ресурс MLC-блока меньше – 10 тыс. циклов. Таким образом, SLC-блок пригоден для хранения кода, требующего высокой надежности и производительности памяти, или часто обновляемых данных, а MLC-блок – для хранения данных пользователя и универсального кода, не требующего большого числа операций считывания. Разработчики систем при использовании гибридной памяти могут в соответствии со своими потребностями выделять объем SLC-памяти для хранения критичного кода, оставляя остальной объем для хранения данных пользователя (рис.3). Гибридные блоки NAND-памяти уже имеются в представленных на рынке мобильных телефонах высшего класса, таких как музыкальные телефоны или телефоны с функциями навигатора.
Потребность в гибридной NAND-памяти стимулировала разработку новых стандартов для нее. В последнее время популярными стали устройства памяти стандарта eMMC (встраиваемых мультимедийных карт), выпущенного в 2006 году Объединенным инженерным советом по электронным устройствам (JEDEC). Микросхема флеш-памяти стандарта eMMC имеет простой интерфейс и контроллер, позволяющий разработчику игнорировать изменения NAND-флеш технологии, касающиеся схем корректировки ошибок, размеров страницы и блоков, техники распределения нагрузки на блоки с тем, чтобы один блок флеш-памяти не стирался слишком часто и т.п. Выпущенная в 2009 году версия 4.4 этого стандарта позволяет определять, какая часть памяти будет работать в режиме SLC-памяти (с улучшенными характеристиками) и какая часть – в режиме MLC-памяти.
Рис.4. Динамика потребности в объеме памяти, предоставляемой NAND-флеш (источник – компания Samsung)
Но, по мнению большинства экспертов, реальный рост рынка NAND-флеш, выражаемый в общей емкости отгруженной памяти, обеспечит реализацию на их основе твердотельных накопителей (Solid State Drives, SSD). Ежегодный прирост рынка твердотельных накопителей не превысит прирост рынка мобильных телефонов, и к 2013 году составит 100 млн. устройств в год. Однако каждый накопитель содержит значительно больше микросхем флеш-памяти NAND-типа, чем все другие приложения флеш-памяти (рис.4).
Но, по мнению компании Sun Microsystems, сейчас производители флеш-памяти идут по "ложному пути", соревнуясь в гонке на выживание путем совершенствования технологии, следуя закону Мура и не принимая во внимание нужды производителей промышленных систем – основных потребителей твердотельных накопителей. И хотя сейчас уже многие поставщики, ранее производящие флеш-память в основном для потребительских устройств – МР3-плееров, сотовых телефонов, карт памяти, флешек и др., – выпускают твердотельные накопители и для промышленных систем, положение на рынке промышленных твердотельных накопителей не улучшается. Требования к накопителям для двух областей применения различны. Твердотельные накопители для промышленных систем должны быть надежны и иметь большой ресурс, тогда как бытовые устройства, в которых применяются твердотельные накопители (в первую очередь нетбуки и отчасти ноутбуки), менее требовательны к этим параметрам. Однако производители флеш-памяти стремятся прежде всего уменьшать размеры элементов. И если сейчас проектные нормы микросхем NAND-памяти уже составляют 32 нм, то в ближайшем будущем они будут менее 20 нм. Это значит, что все интенсивнее будет совершенствоваться технология микросхем флеш-памяти с х3- и х4-ячейками, степень безотказности и ресурс которых недостаточны для твердотельных накопителей. Уже сегодня только небольшое число современных микросхем MLC флеш-памяти с топологическими нормами менее 50 нм пригодны для выполнения функций твердотельных накопителей промышленных систем. Производители комплектного промышленного оборудования нуждаются в более надежных микросхемах NAND-памяти предыдущих поколений, выполненных по 63- и 59-нм технологиям. Но таких микросхем сегодня поставляется мало. Таким образом, по мнению промышленных экспертов, в 2010 году не следует ожидать существенных достижений в области твердотельных накопителей.
С увеличением числа разрядов в ячейке NAND-памяти запись и считывание данных, хранимых на восьми или 16-ти уровнях порогового напряжения (х3- и х4-ячеек соответственно), становится все более сложной задачей. В флеш-памяти с MLC-ячейкой различие между двумя уровнями порогового напряжения равно ~1,5 В. Но в четырехбитовой ячейке это различие составляет всего 0,2 В. Это приводит к увеличению частоты появления ошибочных битов в флеш-памяти с х4-ячейкой. В результате при увеличении числа разрядов ячейки и ее масштабировании необходимо усложнять схему корректировки ошибок, вводя большее число контрольных битов. Кроме того, для программирования и считывания х4-ячейки требуется большое число импульсов, что вызывает усиление связи между плавающими затворами ячеек памяти и, тем самым, рост помех. Для сохранения целостности данных и эффективности памяти алгоритмы программирования и считывания должны учитывать такие помехи. В итоге сейчас NAND-память с х4-ячейками по скорости программирования (0,62 Мбайт/с) сопоставима с флеш-памятью NOR-типа.
В связи с относительно малым быстродействием "сырой" NAND-памяти с х4-ячейками возрастает роль контроллера памяти, обеспечивающего управление памятью в различных приложениях. Следует ожидать перехода от "сырых" микросхем NAND-памяти к микросхемам управляемой NAND-памяти. А это потребует более тесного сотрудничества изготовителей микросхем флеш-памяти и компаний, разрабатывающих контроллеры для них.
Проблема программирования и считывания восьми или 16-ти мало различающихся уровней напряжения небольших ячеек памяти требует не только совершенствования контроллеров флеш-памяти, но и принятия инновационных конструктивных решений и топологии подобной энергонезависимой памяти. Что же делается в этом направлении?
Пути совершенствования NAND флеш-памяти
Доклады, представленные на Международной конференции по твердотельным схемам (ISSCC) 2008 года и посвященные схемам памяти, показали новые тенденции в области совершенствования архитектуры, конструктивного исполнения и технологических процессов изготовления, а также повышения быстродействия флеш-памяти NAND-типа.
Асинхронный интерфейс NAND-памяти считается одним из основных "узких мест" этих устройств, ограничивающих их применение в системах, требующих высокой производительности. Компании Intel и Micron Technology решили эту проблему, создав NAND флеш-память емкостью 8 Гбит с интерфейсом с двойной скоростью передачи данных (DDR), отвечающим стандарту консорциума ONFi и обеспечивающим ввод-вывод данных со скоростью 200 Мбайт/с. Благодаря применению архитектуры с четырьмя банками данных и 4n предвыборкой тракта данных, присущих DDR синхронным ДОЗУ, флеш-память может поддерживать как асинхронный, так и DDR2 синхронный интерфейсы. Чтобы добиться высоких скоростей программирования и считывания, микросхема выполнена с одноуровневыми ячейками. Правда, такая микросхема почти на 50% дороже эквивалентной ей 16-Гбит MLC-памяти компании Toshiba, выполненной по 56-нм технологии. Но при этом размеры микросхемы памяти Toshiba на 7% больше. Очевидно, NAND-флеш компаний Intel и Micron первоначально найдет применение в твердотельных накопителях, игровых консолях и серверах высшего класса.
Особый интерес вызвали три микросхемы NAND флеш-памяти, разработанные компаниями SanDisk и Toshiba, с архитектурой одновременного считывания всех разрядных шин, подсоединенных к страничным буферам (All-Bit Line, ABL), в отличие от обычных микросхем, в которых ячейки считываются вдоль заданной шины слов. По утверждению разработчиков, благодаря ABL-архитектуре им удалось в 3,4 раза повысить скорость программирования MCL NAND-памяти емкостью 1 Гбит в сравнении с аналогичной памятью с обычной архитектурой, выполненной по той же 56-нм технологии (табл.2). В одноуровневой NAND-памяти с ABL-архитектурой скорость программирования составляет 60 Мбайт/с.
В NAND-памяти с х3-ячейкой компании продемонстрированы пути решения проблем, возникающих при увеличении числа разрядов, хранимых в ячейке. Для подавления шума памяти и лучшего распределения энергии микросхема имеет архитектуру c циклическим сдвигом массива памяти (Rotated Array Architecture, RAA), что важно для х3-ячеек, поскольку наличие восьми уровней напряжения в одной ячейке флеш-памяти требует весьма строгого распределения порогового напряжения и точного считывания данных, хранимых в ячейке. Благодаря "продвижению" сигналов управления шины слов и разрядной шины ближе к массиву памяти и считыванию данных ячейки флеш-памяти путем отсчета локального напряжения шины слов относительно локального потенциала заземления в конструкции памяти с 3 бит/ячейку можно отслеживать изменения напряжения шин слов и разрядных шин. Это позволяет улучшить точность и скорость считывания и, тем самым, повысить производительность микросхемы памяти на 20%. Достигнутая для х3 NAND-памяти скорость программирования в 8 Мбайт/с составляет 80% от скорости программирования памяти с одноуровневыми ячейками, и на сегодняшний день это весьма высокий показатель.
Серьезной проблемой при переходе к малым топологическим нормам (менее 30 нм) становится ток утечки, вызванный перегрузкой (Stress-Induced Leakage Current, SILC), который влияет как на надежность флеш-памяти (время сохранения заряда на плавающем затворе), так и на скорости программирования и стирания. Компания SanDisk решила эту проблему, добавив к строке ячеек NAND-памяти две "фиктивные" шины слов (по одной с каждой стороны строки). Чтобы компенсировать увеличение размеров кристалла из-за появления двух дополнительных шин, строка содержит не 32, а 64 ячейки. Увеличение числа ячеек строки привело к росту ее сопротивления. Чтобы компенсировать сопротивление при считывании ячейки, расположенной в верхней части строки, требуется большее значение напряжения шины слов, и для подачи соответствующего напряжения на нужную шину слов в строке ячеек при программировании и считывании необходимо модулировать ее напряжение. В 32-Гбит NAND-памяти, выполненной по 34-нм технологии компаниями Intel и Micron, для этой цели используется регулятор напряжения ЦАП-типа. А компания Hynix применяет новый алгоритм программирования Start Bias Control (Управление началом смещения) и программу Smart Blind ("находчивый слепой"), что позволило увеличить скорость программирования более чем на 30% Разработки, представленные на конференции ISSCC 2008, а также экономические проблемы рынка NAND флеш-памяти того времени (перепроизводство и резкое падение цен) привели к активизации работ по созданию более дешевых х3 и х4 флеш-памяти. И в 2009 годы все крупные производители NAND-флеш выпустили или сообщили о разработке микросхем памяти с тремя или четырьмя битами на ячейку, выполненных по 40- или 30-нм технологии с существенно увеличенной эффективностью размещения ячеек на кристалле (табл.3).
В результате, по мнению промышленных обозревателей, в 2010 году х3 NAND флеш-память заменит до 70–80% MLC-памяти, используемой во флешках и картах памяти.
Следует отметить, что для 64-Гбит NAND-флеш с 43-нм проектными нормами компания SanDisk выпустила и х4-контроллер, монтируемый совместно с флеш-памятью в многокристальный модуль. В микроконтроллере реализована единственная в своем роде схема коррекции кода, разработанная для систем многоуровневой памяти и предназначенная специально для распределения 16-ти уровней напряжения, присущих х4-ячейке памяти. В разработку контроллера внесли вклад ученые Университета Тель-Авива, предоставившего компании SanDisk исключительную лицензию на свои разработки.
Гонка продолжается
В начале 2010 года компании Intel и Micron Technology объявили о создании MLC (х2) флеш-памяти емкостью 8 Гбайт, выполненной по 25-нм технологии, и восстановили технологическое лидерство на рынке NAND флеш-памяти, потеснив содружество SanDisk–Toshiba и компанию Samsung, объявивших ранее о выпуске 32- и 30-нм устройств. В отличие от предыдущих микросхем флеш-памяти с проектными нормами 50 и 34 нм, размер страницы которых составлял 4 Кбайт, объем страницы новой флеш-памяти равен 8 Кбайт. Размер блока увеличен со 128 до 256 страниц, что потребует некоторой реорганизации аппартно-программных средств. Но, очевидно, компания Intel к этому готова.
Сейчас опытные образцы 25-нм флеш-памяти, занимающей площадь кристалла в 167 мм2, выпускает венчурная фирма IM Flash Technologies, образованная в январе 2006 года компаниями Micron и Intel с целью производства на 300-мм пластинах флеш-памяти NAND-типа для бытовой электроники, твердотельных накопителей и портативных средств связи.
Появление микросхемы флеш-памяти со столь малыми проектными нормами, естественно, вызвало у промышленных обозревателей вопрос: как дуэт Intel-Micron сумел обойти законы физики, согласно которым предельная проектная норма, достигаемая с помощью современной иммерсионной литографии с источником излучения на базе лазера на фториде аргона (длина волны 193 нм), составляет не менее 35 нм. Предполагается, что фирме IM Flash Technologies удалось добиться столь внушительного результата не только с помощью современной иммерсионной литографии, но и метода экспонирования с двойным шаблоном и самовыравниванием (Self-Aligned Double-Patterning, SADP), или двухэтапного нанесения литографического рисунка на поверхность подложки. Возможно, IM Flash работает с литографическими установками компании ASML Holdings NV. Кроме того, возможно, IM Flash использует и некоторый вид технологии фазосдвигающих шаблонов. Эксперты отмечают, что SADP-метод хоть и дорог, но сегодня он единственно приемлемый метод формирования микросхем с проектными нормами 20 нм, который решает проблему корректировки выравнивания при наложении рисунка микросхемы.
По мнению создателей новой NAND флеш-памяти, это нужный прибор, появившийся в нужное время – на этапе восстановления рынка и роста спроса. Для изготовителей потребительских товаров 25-нм микросхема представляет собой NAND-память с наибольшей на сегодняшний день плотностью записи в ячейках, хранящих 2 бита, которую можно монтировать в стандартный корпус малого габарита типа TSOP. Для получения памяти большей емкости возможен монтаж нескольких 8-Гбайт микросхем. В результате теперь для реализации твердотельного накопителя емкостью 256 Гбайт нужны всего 32 микросхемы MLC NAND-флеш емкостью 8 Гбайт, вместо ранее требуемых 64 схем SLC-памяти. Для смартфона с памятью емкостью 32 Пбайт нужны будут всего четыре новые NAND-флеш, а флеш-карте памяти – только две такие микросхемы памяти.
Освоение массового производства новой флеш-памяти планируется на второй квартал 2010 года. Изделия на основе этой NAND-памяти потребители, вероятно, увидят в конце года.
Рис.5. NAND флеш-память, выполненная по 26-нм технологии
Дуэт Intel-Micron каждые полтора года вдвое увеличивает емкость разрабатываемых микросхем NAND флеш-памяти, правда в основном за счет масштабирования. Возможно, в середине 2011 года компания IM Flash начнет отгрузки опытных образцов с еще меньшими проектными нормами, а в 2012-м освоит их массовое производство.
Но Intel-Micron не единственные разработчики NAND-флеш с минимальными размерами элементов в диапазоне 20 нм. На пятки этому дуэту наступают компании Hynix, которая готовит к выпуску в третьем квартале 2010 года микросхему флеш-памяти емкостью 8 Гбайт, выполненную по 26-нм технологии (рис.5), и Samsung, планирующая во втором квартале 2010 года начать производство памяти с 25-нм нормами. Правда, тип (SLC или MLC) микросхем памяти обе компании не указывают.
Не намерено терять свои позиции технологического лидера и содружество SanDisk–Toshiba, которое в начале марта объявило о намерении выпустить во второй половине 2010 года NAND-флеш с проектными нормами 24 нм. При этом первоначально планируется выпустить флеш-память с х2-ячейкой и вскоре за ней – х3-память, которую в основном будет производить завод 4 компании SanDisk с производительностью 165 тыс. пластин в месяц.
Не только транзисторы с плавающим затвором
При масштабировании разработчики все чаще сталкиваются с такими проблемами, как помехи, вносимые в результате увеличения коэффициента связи между соседними плавающими затворами и тока утечки, вызванного перегрузкой, что ограничивает толщину туннельного оксида (не менее 80 нм). Эти проблемы могут быть решены за счет применения новых диэлектрических материалов (с низким значением диэлектрической постоянной k в качестве изолирующего диэлектрика и с высоким k – в качестве диэлектрика, разделяющего поликремниевые затворы). Кроме того, справиться с этими проблемами можно, уменьшив потери заряда при туннелировании электронов за счет введения дополнительных присадок в туннельный окисел.
Еще один ключевой подход к совершенствованию NAND флеш-памяти заключаются в создании структур, в которых плавающие затворы отсутствуют, таких как SONOS-структуры, в которых реализуется другой механизм захвата заряда. В такой структуре, в отличие от флеш-памяти с плавающим затвором, в котором хранится свободный заряд, носители захватываются ловушками изолирующего слоя нитрида кремния и не свободны. Это позволяет существенно уменьшить толщину туннельного оксида, а значит увеличить скорости и уменьшить напряжение программирования и стирания данных, улучшить надежность и радиационную стойкость флеш-памяти. В результате замены поликремниевого плавающего затвора относительно большой толщины более тонким слоем нитрида кремния структура памяти по высоте оказывается сопоставимой с стандартными КМОП-транзисторами и упрощается процесс изготовления встраиваемых энергонезависимых микросхем памяти и расширяются пределы масштабирования. Ресурс SONOS флеш-памяти составляет 106 циклов. Проводимые в последнее время работы по получению нитридного слоя с большой концентрацией ловушек, энергетические уровни которых расположены глубоко в запретной зоне диэлектрика, позволяют существенно расширить окно напряжения программирования/стирания и увеличить ресурс памяти. А методы окисления нитрида в высокоплотной плазме или плазменной нитридации слоя оксида относительно большой толщины позволяют уменьшить разброс верхнего оксидного слоя по толщине, который существенно влияет на характеристики SONOS-памяти.
Интерес представляет сообщение компании Toshiba на Международной конференции по электронным приборам (International Electron Devices Meeting, IEDM) 2007 года о разработанной микросхеме SONOS флеш-памяти, емкость которой может составить 12,5 Гбайт. Основное внимание специалисты компании уделили совершенствованию структуры микросхемы. Главное нововведение – наличие двух туннельных слоев оксида (верхнего толщиной 6,5 нм и нижнего толщиной 1 нм), между которыми заключен слой кристаллического кремния толщиной 1 нм, за счет которого и осуществляется чтение/запись данных с высокой скоростью, а также обеспечивается их долговременное хранение. Кроме того, Si3N4 в структуре компании заменен на Si9N10, благодаря чему удалось увеличить концентрацию носителей заряда и, следовательно, улучшить параметры работы флеш-памяти в целом.
Рис.6. Структура вертикальной SONOS флеш-памяти компании Toshiba
Правда, следует отметить, что хотя такая модернизация и позволяет значительно увеличить емкость и пропускную способность памяти, но требует разработки более "тонкой" технологии изготовления микросхем.
Перспективным решением, которое позволит преодолеть ограничения масштабирования флеш-памяти, представляется структура захвата заряда на основе TANOS-ячеек (TaN-Al2O3-SiN-Oxide-Si), которая отличается высокой термостабильностью и довольно высокой работой выхода (14,8 В), что позволяет улучшить время стирания ячейки с захватом заряда. Однако для ее реализации необходимы материалы с улучшенными свойствами. В первую очередь это касается свойств диэлектрика, используемого для формирования слоя захвата носителей заряда, а также качества границ раздела диэлектрических композиционных материалов и разработки блокирующего слоя с более высокой диэлектрической постоянной, чем у Al2O3 и HfO2.
В дальнейшем особое внимание будет уделяться формированию все большего числа слоев памяти в вертикальном измерении, то есть созданию трехмерной (3D) памяти. В трехмерном варианте SONOS-памяти NAND-типа компании Toshiba (рис.6) реализована вертикальная строка ячеек, формируемая многочисленными гальванослоями, служащими управляющими затворами поликремниевых транзисторов, работающих в режиме обеднения и расположенных в вертикальной колонке памяти. В этой структуре весь набор управляющих затворов реализуется за одну операцию литографии. Этот метод дешевле, чем технология многослойной NAND-памяти, когда каждый слой формируется с помощью критического процесса литографии.
Безусловно, масштабирование элементов NAND флеш-памяти дает внушительные результаты. Флеш-память оказалась одним из локомотивов развития современных потребительских устройств, которые благодаря ей стали быстрее и миниатюрнее. Перспективны NAND-флеш и для применения в твердотельных накопителях. Масштабирование наряду с переходом к х3- и х4-ячейкам будет продолжаться. Но, по мнению как специалистов ведущего производителя этих микросхем – Micron Technology, а также основателя и главного аналитика компании Forward Insights Грегори Вонга, в ближайшие четыре-пять лет промышленность NAND-памяти столкнется с серьезными и труднопреодолимыми проблемами масштабирования. Конечно, не стоит ожидать быстрого отмирания флеш-памяти. Современные 30- и 25-нм техпроцессы позволят выпускать микросхемы памяти, емкость которых будут достаточна для удовлетворения потребности пользователей еще многие годы. Но дальнейшая миниатюризация требует применения так называемой "универсальной" памяти — памяти с изменением фазового состояния (PCM), магниторезистивной (MRAM), сегнетоэлектрической (FRAM), резистивной (RRAM). Эти устройства памяти разрабатываются уже достаточно давно, но пока ощутимых результатов нет. И хотя доклады, представленные на конференции ISSCC 2010, отражали успехи, достигнутые в этом направлении, по мнению экспертов, они в отличие от докладов предыдущих конференций не произвели большого впечатления.
Как долго будет продолжаться масштабирование флеш-памяти на основе транзисторов с плавающим затвором? Время покажет.
Отзывы читателей
