1 月 27 日,美光正式宣布批量出货基于 1α (1-alpha) 节点的 DRAM 产品,相较于美光1z DRAM 制程,1α 技术将DRAM内存密度提升了 40%。

 

40%位密度提升带来的好处是什么呢?美光DRAM制程集成副总裁Thy Tran在接受与非网专访时表示:“无论是用于手机还是汽车,1α DRAM的内存密度提高了40%,这使得客户能够将更多的数据存放到更紧凑的空间中,为进一步的性能提升释放空间。”

 

美光DRAM制程集成副总裁Thy Tran

 

1α DRAM的赋能效应


位密度简单而言就是单位面积上存储的二进制信息数,位密度提升后,内存产品便能够在相同体积下存储更多的数据信息。

 

在美光1α DRAM制程提升的40%内存密度中,大约有10%是由DRAM设计效率驱动的,反映出美光对内存技术创新有了更进一步的理解。Thy Tran指出:“除了传统的内存单元阵列缩小途径之外,我们还利用设计和制程创新来积极拓展电路的其他部分。这是通过部署一种技术来实现的,以满足内存单元阵列目标,涉及到字线、位线杂散电阻和电容、存取晶体管和单元存储节点电容,以及裸片其他区域的CMOS与互连的电阻和电容等。”

 

我们看到,目前美光位于台湾地区的工厂已开始批量生产 1α 节点 DRAM,首先出货的是面向运算市场的DDR4  内存以及英睿达 (Crucial) 消费级 PC DRAM 产品。Thy Tran介绍说:“在今年及以后的时间里,我们将继续推出基于该节点的其他产品,包括LPDDR5。”可以预见,这些基于1α 制程打造的存储产品会释放各行业的创新动能。

 

当前,在智能手机上,大型手游开始成为主流,过往消费者没有明显感知的DRAM开始成为性能瓶颈,如果DRAM配置不达标,很多游戏将会卡成“幻灯片”。这样的卡顿情况在PC、服务器、汽车等产品上同样会出现。位密度提升之后,使得我们能够在设备上搭载更大容量的DRAM,“智能手机和汽车的电子控制单元(ECU,内存所在)的物理面积都非常小。对于汽车ECU来说,每一代产品的内存密度需求都会增加,而物理面积保持不变,在某些情况下甚至会更小。因此,密度更高的1α DRAM将直接满足不断增长的内存需求。” Thy Tran讲到。

 

除了40%的位密度提升,美光1α DRAM还能降低 15% 的功耗,以提高存储器性能。

 

功耗降低这一点对于数据中心和5G智能手机等行业而言同样很重要。就以数据中心为例,目前各类型服务器所采用的内存数量与日俱增,我们能够看到一些厂商当前所主推的通用机架服务器会采用24块DDR4 DIMM,还有一些服务器会提供48个内存插槽,最大支持18TB的内容容量。在此背景下,如果采用美光1α DRAM,那么单台服务器就可以节省非常多的能量,如果以整个数据中心来统算的话,可以有效降低成本。

 

而对于5G智能手机而言,Thy Tran表示:“美光为移动行业提供最低功耗的 DRAM 平台,实现了 15% 的节能(与上一代1z美光移动DRAM相比),使 5G 用户在不牺牲续航的同时能在手机上进行更多任务操作。这一点很重要,因为智能手机的关键在于便携性,尽管用户希望手机能更快地执行更多的任务,但也不愿意牺牲续航或者外形尺寸。我们的汽车客户也在使用我们的移动低功耗DRAM,例如LPDDR4和LPDDR5,因此他们也能受益于这种节能特性。”

 

汽车,尤其是搭载智能座舱或者自动驾驶的汽车,对DRAM的需求也将越来越凸显。2019年就有新闻表示,美光是 Mobileye 的EPM5 平台的内存解决方案主要供应商。而我们在Mobileye关于EyeQ系统级芯片演变的介绍中看到:在EyeQ5中,Mobileye实现了多线程处理集群(MPC),专用IO至少支持40Gbps数据带宽,并实现了多通道低功耗DDR接口。

 

可见,Mobileye不仅需要高带宽和大容量的内存,低功耗这一点是其特意强调的。对此,Thy Tran也指出:“低能耗对电动汽车和自动驾驶汽车尤其有利。”

 

“随着ADAS和AI等数据密集型汽车技术的兴起,现代联网汽车和自动驾驶汽车目前运行的代码超过1亿行,每秒需要进行数百万亿次的运算,与数据中心的计算性能水平不相上下。这些汽车,或者称之为车轮上的数据中心,需要管理高性能计算,但不能让司机不断地为电动汽车充电或者加油以满足高耗电应用需求。因此,1α DRAM的电源效率也将有助于降低能耗,帮助自动驾驶汽车以更低的排放实现绿色交通的承诺。”她在专访中说到。

 

1α DRAM可以被视为美光10纳米级DRAM的第四代工艺,其前面还有1x、1y和1z。1α DRAM将提供 8Gb 至 16Gb 的密度,将助力美光现有的 DDR4 和 LPDDR4 系列产品延长生命周期。

 

 

Thy Tran认为,这对OEM厂商而言非常有利,“这种扩展的DDR4和LPDDR4能够让我们的OEM客户受益,他们需要可靠的、可扩展的产品,用于嵌入式汽车解决方案、工业PC和边缘服务器等通常具有较长产品寿命的应用场景。例如,从最初设计到使用寿命结束,汽车子系统的寿命可能是7至10年,而工业和嵌入式平台的寿命可能是5至10年。通过为客户提供更长生命周期的DDR4和LPDDR4,降低了客户在其产品生命周期内重新认证平台的成本。在嵌入式市场,由于严格的质量和可靠性要求,平台重新认证和组件报废管理的成本可能会非常高。”她对此表示。

 

同时,她还补充到:“对于客户来说,还有一个机会成本的问题——如果他们把时间花在重新认证旧平台上,那就没有时间专注于未来的产品创新。有了如此长生命周期的产品,就能降低OEM的总体拥有成本,这样他们就可以在最初设计后的数年内一直保持制造平台不变。”

 

10nm级DRAM工艺的下一步


通过工艺改进,美光得以将DRAM的位线(bitline)、字线(wordline)和网格(grid)等参数缩小,而新材料的作用在1α DRAM的设计生产过程中同样不容忽视,美光整合了全球各地最新、最好的材料,比如更好的导体材料和绝缘体材料。

 

1α DRAM也是美光采用希腊数字命名的第一个10nm级DRAM工艺。随着工艺的推进,DRAM制程已经越来越接近真正物理意义的10nm。此前曾有业者表示,DRAM未来将会走向10nm以下,那么面对前路,美光会作何抉择呢?

 

未来内存突破大致包含以下几个方面。首先是进一步压榨现有工艺技术,以实现更好的层间堆叠;其次是采用更为先进的光刻技术——EUV;另外还有就是采用全新的架构设计,引入4F2 Cell。

 

美光1α DRAM继续采用 6F2 位线设计以及DUV的光刻技术。Thy Tran在其博客中的描述让大家能够感受到这种实现方式带来的巨大挑战,在其博文中有提到更小的晶体管体积,一千多个制造和测试步骤,衍射极限和瑞利准则。

 

关于设备的选择,原则上讲EUV光刻机在先进制程方面更具优势,且当工艺达到一定程度的时候便非EUV不可,这在一些尖端逻辑芯片的生产上已经得到证明。但现有案例也已经验证,DUV通过双工作台模式也能达到真正物理意义上的10nm。

 

在1α DRAM上面,美光已经展示其对自身先进的光刻能力和间距倍增方法的信心。Thy Tran 表示:“我们对这个节点还采取了不同的方法,使风险承受能力更强。我们不是被动等待数据以证明新技术可行,而是先行承担了更多的风险,然后开始确定缓解和降低风险的方法。这种基于工程优势和创新能力来博弈新方法的模式,使我们能够更积极地实现1α目标,同时为将来的节点应用这些新方法奠定了可扩展的基础。”

 

她认为:“EUV未必是制程发展的关键促成因素。我们专有的创新多重曝光技术能够满足目前的性能和成本要求。通过我们的制程解决方案和先进的控制能力,可以满足技术节点的要求。而且目前EUV设备的性能也不如先进的浸润式光刻技术。虽然EUV技术还在改进,但其成本和性能仍然落后于当前的多重曝光和先进的浸润式光刻技术。”

 

不过,她也表示,美光会持续跟进EUV的技术发展。“我们正在不断评估EUV,相信在未来三年内,EUV会取得必要的进展,在成本和性能上能够与先进的间距倍增和浸润式技术相竞争。当该技术符合要求时,我们会在适当的时候引入该技术。”

 

在2020国际内存研讨会上,美光曾在《最尖端DRAM》演讲中谈到4F2 Cell,理论上4F2 Cell面积将是6F2 Cell的2/3,但新材料的研发是一个限制因素。

 

无论如何,我们都将看到美光在存储技术上持续保持高频率的创新,目前该公司在DRAM和NAND技术上同时处于业界领先地位。“我们非常自豪美光在历史上第一次同时在DRAM和NAND技术上均处于领先地位。这是我们过去几年同时加速布局DRAM和NAND技术路线图的结果,也是我们专注于内存和存储技术的结果。目前,我们在技术能力方面处于行业领先地位,展望未来,我们将与业界其他领域更典型的节点迈进规律保持一致,从而继续我们的这一竞争优势。” Thy Tran在专访中说到,“我们甚至利用从NAND团队那里学到的制程经验,他们最近推出了世界上第一款176层3D NAND,取得了业界领先的成就。此外,值得注意的是,我们的1α里程碑是通过技术开发、设计、产品和测试工程、制造和质量等各方面的协作来实现的——这是我们第一次进行如此深入的多领域协作,我们1α节点的领先优势充分证明了其可行性。”