儲存月報第80期：多級化與3D堆疊技術：提高SSD容量的兩條路線

自三星於2018年正式推出業界首款30TB容量等級SSD產品PM1643之後，SSD最大容量規格在30TB這個層次停滯了將近5年時間，直到日前Solidigm推出的D5-P5336，才以翻倍的61.44TB容量刷新了紀錄。

過去幾年來雖然也有其他廠商發表容量超過30TB等級的SSD產品，例如Seagate早在2016年便曾展出60TB容量的SSD，但這款產品並未上市。實際市售產品中，Nimbus Data曾在2018年展出最大容量100TB的ExaDrive DC SSD，稍後這款產品在2020年正式上市時，則提供最大64TB與100TB的容量。不過Seagate與Nimbus Data這幾款超高容量SSD，都是採用尺寸較大的3.5吋規格，是以較大的外型來換取更大的容量規格。若以儲存密度計算，3.5吋規格的100TB SSD，比起2.5吋規格的30.72TB SSD，總容量雖然高了3.3倍，但容量密度其實只高了不到20%。

後來IBM在2020年底發表的第2代FCM儲存模組，則基於QLC快閃記憶體，在2.5吋U.2規格上提供了最大38.4TB容量，比先前的30.72TB SSD提高25%容量，但FCM是搭配IBM自身FlashSystem儲存陣列的專屬儲存模組，裝置本身的空間有一半被用來安置搭配儲存陣列運算卸載功能的運算單元，未能充分發揮容量潛力。

到了Solidigm在2023年推出的D5-P5336，則透過結合QLC快閃記憶體，以及192層3D堆疊技術，在標準的2.5吋U.2規格上就能提供61.44TB的容量，容量密度遠高於Nimbus Data的100TB SSD。

由於SSD裝置的尺寸是固定的，所以要提高容量，實質上是在追求「容量密度」的提升。

而結合QLC這種擁有更多記憶體儲存單元（Cell）資料位元數，也就是更「多級化（Multi-Level）」的快閃記憶體，以及更高層數的3D堆疊種技術，正是當前驅動SSD容量密度增長的2條主要技術路線。

快閃記憶體儲存單元的多級化發展

我們先來看快閃記憶體儲存單元多級化這條路線的發展。

最早的SLC即單級單元（Single-Level Cell）快閃記憶體，每個儲存單元（Cell）以2種電壓狀態來記錄1個位元的資料。接下來的MLC（Multi-Level Cell，多級單元快閃記憶體），每個儲存單元以4種電壓狀態來記錄2個位元的資料。然後TLC三級單元快閃記憶體（Triple-Level Cell）以8種電壓狀態記錄3個位元資料，依此類推，相關的關係如附表所示。

目前市售SSD產品的主流是採用TLC，密度更高的QLC也已獲得一定程度使用，主要推手是三星、美光、Intel/Solidigm等3大供應商，都擁有QLC記憶體晶片與QLC SSD產品，其他大廠如Kioxia（鎧俠）也有QLC記憶體晶片，長江儲存（YMTC）也曾發表QLC晶片，一些二線供應商如ScaleFlux，也使用美光QLC晶片推出QLC SSD產品。

至於PLC則已處於工程開發階段，Solidigm在2022年初時曾表示，他們的PLC SSD產品開發十分順利，看好未來將成為JEDEC工業標準，Kioxia也曾展示過PLC技術，Western Digital據稱也在研究PLC。

而6位元的HLC（Hexa）與7位元的HLC（Hepta），都已在實驗室中驗證。Kioxia在2021年7月舉行的第5屆IEEE電子元件技術與製造論壇（EDTM 2021）中，宣布完成6位元HLC快閃記憶體技術驗證。

稍後Kioxia又在2022年10月宣布，已在實驗室驗證了7位元HLC快閃記憶體運作。日本另一家嵌入式控制器廠商Floadia，也在稍早的2021年底發表7位元HLC快閃記憶體專屬技術。

不過，隨著快閃記憶體儲存單元的「超多級化」，需要付出的代價也越來越大。在QLC上已飽受詬病的抹寫耐用性低，存取延遲，讀取困難、閾值電壓偏移、讀取干擾、寫入不可靠等問題，在PLC、HLC都會更加嚴重，而且影響程度會成倍增加，需要在控制器層級使用更複雜的錯誤修正與存取控制技術來彌補。

特別是在QLC上已十分惱人的閾值電壓偏移問題，在PLC、HLC的困難，都以指數幅度增加——QLC需要控制16種電壓狀態，就已讓人叫苦不迭，而PLC與HLC則需控制加倍的32種、64種與128種電壓狀態，對電壓偏移的容許程度也更趨嚴苛，要讓這類超多級式快閃記憶體穩定運作，需要付出更多的代價。

舉例來說，Kioxia在2021年驗證6位元HLC技術時，便使用了極低溫的液態氮（77K/-196℃）來冷卻HLC記憶體單元（控制器仍於室溫運作），藉此改善絕緣層絕緣效果，抑制閾值電壓偏移帶來的讀取噪聲干擾，也減少環境溫度導致的電荷熱發散損耗，從而將抹寫壽命提高10倍。

接下來Kioxia在2022年驗證7位元HLC技術時，同樣使用極低溫冷卻，另外還搭配使用以單晶矽（single-crystal silicon），取代原本慣用的多晶矽（poly-silicon）來做為儲存單元材料，據稱可減少2/3的讀取噪聲。

快閃記憶體「超多級化」的代價

Kioxia的7位元HLC快閃記憶體的電壓分布圖，這是目前經過驗證的最高密度多級化快閃記憶體，教目前市場上密度最高的QLC還高出75%。但比起「只有」16種電壓狀態的QLC，7位元HLC擁有更細密許多、高達128種的電壓狀態，為了抑制電壓偏移，並提高耐用性，使用了77K（-196℃）的液態氮冷卻才能穩定運作，這也造成實用化的障礙。

圖片來源：Kioxia

3D堆疊技術的發展

3D堆疊技術是提高快閃記憶體容量密度的另一條路線，透過在3D空間堆疊多層記憶體單元，從而在相同面積下獲得倍增的儲存容量。

各主要快閃記憶體廠商的3D堆疊技術，基本上是從32層或48層起步，目前主流產品採用的是128層或144層，也有176或192層的產品，美光剛在今年5月發表了232層堆疊的SSD，是目前市場上最高堆疊數的SSD產品。

除了美光的232層3D快閃記憶體技術外，其他4家廠商也都發表200層以上的3D快閃記憶體技術，包括SK hynix的238層，三星的236層，長江儲存（YMTC）的232層，以及Kioxia與Western Digital合作發展的218層技術。至於另一家主要快閃記憶體供應商Solidigm，目前最高則只到192層。

在下一步發展方面，不久前SK hynix在2023年3月的國際固態電路研討會（ISSCC 2023），發表300層以上的3D快閃記憶體技術（基於TLC儲存單元），應該是第一家突破300層3D堆疊的快閃記憶體廠商。

而在未來長期發展中，除Solidigm以外，其他廠商都已提出300層以上3D快閃記憶體技術規畫。其中腳步最快的是SK hynix，剛在2023年3月發表達到300層以上的第8代3D堆疊技術，接著預定在2025年推出500層以上的第9代技術，在2030年推出800層以上的第10代技術。野心最大的則是三星，在2022年推出的236層的第8代技術後，預定在2024年推出可達300層以上的第9代技術，然後經過400層以上與500層以上的第10代與第11代技術，在2030年一舉推進到1,000層。

美光目前的232層屬於他們的第6代技術，預計在第7、8、9代技術中，分別達到300層以上、400層以上與500層以上。共同合作的Kioxia與Western Digital，目前最新技術是基於BiCS 8的218層，預定在接下來的BiCS 9與BiCS 10達到300層以上與400層以上。

中國的長江儲存目前最新是他們第4代技術的232層，據說希望在接下來的第5代與第6代技術，達到500層以上與1,000層以上。

至於Solidigm目前的第5代技術，只達到192層，規畫中的第6代技術也只有238層。

300層3D堆疊的快閃記憶體

SK hynix基於TLC儲存單元的 300+層3D快閃記憶體工程原型，這是目前最高堆疊層數的快閃記憶體。

圖片來源：SK hynix

兩種技術路線的發展前景

多級化與3D堆疊技術這2條路線，過去幾年來一直相輔相成，共同推動SSD的容量密度增長，但就未來發展前景來看， 3D堆疊技術顯然要比儲存單元「超多級化」，得到快閃記憶體廠商更多重視與接受。

5位元PLC技術還有Solidigm、Kioxia與Western Digital在發展，但6位元以上的HLC技術，基本上只剩Kioxia在推動。相較下，多數快閃記憶體廠商都已規畫了300層以上，以至400層、500層的3D快閃記憶體發展路線。

依我們觀察，也認為3D堆疊技術，要比儲存單元「超多級化」更有潛力。

首先，3D堆疊技術帶來的容量提升效益更為顯著，每一世代的3D堆疊技術，都能比上一代提供30%以上的容量增長，這個比例預期將能穩定維持到未來的300層、500層、以至800層世代。

反觀快閃記憶體儲存單元的「超多級化」，對於提高容量密度的效益則不斷遞減。QLC容量密度比TLC提高33%，但PLC就只比QLC提高25%，6位元HLC則只比PLC提高20%，7位元HLC更只比6位元HLC增加16.6%，OLC又只比7位元HLC增加14%。

其次，快閃記憶體儲存單元「超多級化」的代價過高。儘管Kioxia已驗證6位元與7位元HLC，並聲稱8位元OLC是可行的，但這都必須透過液態氮冷卻才能穩定運作。

Kioxia聲稱，即便考慮到冷卻帶來的額外成本，6位元HLC與8位元QLC仍可比現有的QLC，節省27%與44%成本（介於兩者間的7位元HLC，似乎成本效益未顯著超過6位元HLC，以致被Kioxia略而不提）。

但問題在於，液態氮冷卻固然常見於超頻玩家領域，但並非目前商業IT環境的正規作法，這將會形成產品實用化與普及的障礙。如果廠商不能解決HLC以上超多級快閃記憶體的常溫運作問題，那麼多級化快閃記憶體的實用化，可能會止步於5位元的PLC。

這樣看來，要讓SSD容量密度進一步提高，3D堆疊將是更可行的路線。