Toshiba、SanDisk 合作 15nm 製程 64Gbit 快閃記憶體，75mm2 迷你尺寸創下新紀錄

Toshiba 與 SanDisk 合作開發快閃記憶體多年，繼去年首款採用 15nm 製程技術，所生產的 128Gbit 大容量晶圓後，近期又再發表採用相同製程的 64Gbit 容量產品。這款產品除了具有當前業界最小的 75mm2 體積，更以低消耗功率為設計標的，從而調降工作電壓並加入多項機能，因此具有技術創新的指標性意義。

今年 ISSCC 2015（International Solid-State Circuits Conference，國際固態電路研討會）活動期間，Toshiba 與 SanDisk 共同展出最新研究開發成果，正式揭露最新的 64Gbit 容量快閃記憶體。這項新技術焦點在於將採用 15nm 製程生產，這是比當前已經蔚為主流，大家所熟悉 A19nm 還要新的製程技術。

Toshiba 與 SanDisk，藉由 15nm 製程將裸晶圓尺寸縮小至 75mm²，堪稱是當前業界體積最小的 64Gbit 晶圓，而且仍為 2bit/Cell 結構的 MLC 產物，而非玩家所嫌棄 3bit/Cell 結構 TLC 產品。採用這項新製程技術所製造 64Gbit 晶圓，基於 Toggle DDR2 架構運作，資料傳輸速率高達 533Mb/s，官方標示吞吐量為 30MB/s。

▲ Toshiba、SanDisk 官方 15nm、64Gbit 晶圓尺寸示意圖。

64Gbit 容量裸晶圓應用相當廣泛，例如大家正在使用中的固態硬碟，為數不少裸晶圓都屬於這容量規格，然後經由堆疊封裝技術組合成較大容量顆粒。在此之前，常見 64Gbit 晶圓依技術陣營區分來看，Toshiba、SanDisk（主力與所主導制定規範為 Toggle）的 A19nm 尺寸為 94mm²，意味進化到 15nm 世代得以縮小約 20％。

其最大競爭對手應營 Micron 與 Intel（主力與所主導制定規範為 ONFi），很早之前就已經量產 16nm 顆粒，但是其生產主力為 128Gbit 產品。以這容量為參考比較基準，Micron 製品體積為 172mm²，反觀 Toshiba 去年所發表 15nm 製程 128Gbit 產品，是小上許多的 139mm^2。

▲ 圖例為 Micron、Intel 的 20nm 製程、128Gbit、8CE 堆疊封裝晶圓，這小小一片即有 128GB 容量。

另外合宜的比較對象是 ISSCC 2014 活動期間，SK Hynix 曾展出 16nm 製程同級容量產品，當時所標示晶圓尺寸為 93.4mm²。也就是說 Toshiba、SanDisk 這項新品，體積比 SK Hynix 還要小 19％左右，意味每片晶圓容量密度更高，製造成本效益優於同業競爭對手。

除了製程技術進步外，官方還著手改善消耗功率表現，規格標示消耗功率為 5.7mW，做法是將以往普遍採用的 3.3V 工作電壓調降至 1.8V。這是一般人較少注意的重點，但如果你還記得前些年，有測試研究指出固態硬碟未必比硬碟省電，就不難理解廠商的意圖。不過單純調降電壓有些問題得克服，因此實際設計還加入多項技術，藉以抑制電流損耗等問題。

▲ Toshiba、SanDisk 官方電壓調降效益示意圖，圖中 x2、x4、... ...是指晶圓數量，在現行 3.3V 電壓工作條件下，堆疊超過 8 個晶圓會導致消耗功率暴增，調降至 1.8V 得以使堆疊數量往上增加到 16 個。

第一項是昇壓電路，官方將此技術稱為 SPPC（Smart Pumping Power Control），據稱單純將電壓從 3.3V 調降至 1.8V，可使消耗功率減少約 22％，加入 SPPC 之後則是可以達到 36％之多。關鍵在於沒有 SPPC 機制時和 3.3V 相比，電流量將會增加約 41％，加入 SPPC 則是可以壓低到 17％左右。

▲ Toshiba、SanDisk 官方 SPPC 架構效益示意圖。

此外同樣基於電壓與電流成反比這定理，為了有效達成降低消耗功率這設計目的，還開發出 PPM（Peak Power Management）這峰值功率管理機制。因為傳統多晶圓堆疊封裝應用，各晶圓同步運作的電流峰值較高，如果無法供應短時間內所需大電流量，容易導致運作異常。

PPM 做用是能夠控制各晶圓運作狀態，利用錯開指令執行時間點的方式，分散各晶圓電流峰值出現時間點，如此解決預充電流量需求的問題。這運作方式像是中斷，或說非同步的概念，將導致資料吞吐量合理的降低。但官方表示在 4CE 堆疊封裝顆粒試驗案例中，雖然資料吞吐量會降低約 20％，但峰值電流最多可以減少 40～65％不等，以當前技術來說平衡點算是良好。

▲ Toshiba、SanDisk 官方 PPM 架構效益示意圖，藉由調整各晶圓動作程序的方式，分散電流峰值。

快閃記憶體製程演進，固然存在理論抹寫次數（Program/Erase）會隨之降低的技術限制，但概觀而言仍然是利大於弊。過去幾年固態硬碟價格能一再創新低，是受惠於晶圓製造成本降低，這點肯定無庸置疑。其次是新製程技術得以提高容量密度，這讓隨身碟、記憶卡等無法容納多少顆粒的產品，尺寸不變甚至做的更小，容量卻可以每隔一陣子倍增。這些應用再再顯示，半導體製程技術演進的重要性，不妨樂觀其成而無須太過於糾結。

▲ 只有指甲大小的 microSD 記憶卡，當前最大容量已經來到 200GB，同樣是受惠於半導體製程技術進步。

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