Khi SK hynix được cho là đang hướng tới sản xuất hàng loạt NAND 375 lớp vào cuối năm nay, theo The Elec, cột mốc 400 lớp ngày càng được xem là ranh giới công nghệ tiếp theo của ngành NAND Flash.
Trong khi đó, theo ET News, Samsung đã bắt đầu sản xuất hàng loạt NAND 286 lớp từ tháng 4/2024 và đây vẫn là sản phẩm thương mại tiên tiến nhất của hãng. Còn theo Nikkei, Kioxia hiện đang thương mại hóa NAND 218 lớp, công nghệ được phát triển lần đầu từ năm 2023.
Tuy nhiên, cuộc đua NAND thế hệ tiếp theo không còn đơn thuần là tăng số lớp xếp chồng. Các nhà sản xuất bộ nhớ đang theo đuổi những hướng tiếp cận khác nhau nhằm nâng cao hiệu năng, mật độ lưu trữ và hiệu quả sản xuất thông qua các cải tiến về kiến trúc và quy trình chế tạo.
Samsung: W2W Bonding và Cryogenic Etching cho NAND V10
Dung lượng NAND tỷ lệ thuận với số lớp xếp chồng, khiến chiều cao cấu trúc NAND trở thành một trong những thước đo quan trọng nhất của ngành.
Theo ET News, Samsung đang bỏ qua các thế hệ trung gian để tiến thẳng tới NAND V10 với hơn 400 lớp.
Để hiện thực hóa mục tiêu này, Samsung dự kiến triển khai nhiều công nghệ mới.
Một trong những thách thức lớn nhất là quá trình khoan kênh dẫn (channel-hole etching) xuyên qua hàng trăm lớp vật liệu. Với cấu trúc NAND trên 400 lớp, Samsung được cho là sẽ áp dụng công nghệ khắc lạnh (Cryogenic Etching), đồng thời đang hoàn tất việc lựa chọn nhà cung cấp thiết bị.
Bên cạnh đó, Samsung dự kiến lần đầu tiên đưa công nghệ Wafer-to-Wafer (W2W) Bonding vào lộ trình NAND của mình.
Với phương pháp này, mảng tế bào nhớ (memory cell array) và mạch điều khiển ngoại vi (peripheral circuitry) được sản xuất trên hai wafer riêng biệt trước khi liên kết lại với nhau. Cách tiếp cận này giúp tăng mật độ tích hợp và cải thiện hiệu năng.
Ngoài ra, Samsung cũng được cho là đang áp dụng công nghệ cắt wafer bằng laser để giảm hạt bụi phát sinh trong quá trình sản xuất, qua đó cải thiện tỷ lệ thành phẩm và độ ổn định của chip NAND.
Theo kế hoạch, dây chuyền sản xuất NAND V10 của Samsung dự kiến hoàn thiện trong năm 2026 và tiến tới sản xuất hàng loạt trong nửa cuối năm.
SK hynix: NAND 375 lớp và bước chuyển sang Molybdenum
Ở chiều ngược lại, SK hynix đang lựa chọn một hướng đi khác.
Theo The Elec, NAND 375 lớp của hãng ban đầu được thiết kế theo mục tiêu 400 lớp, tuy nhiên số lớp đã được điều chỉnh xuống nhằm giảm độ phức tạp trong sản xuất.
Điểm đáng chú ý nằm ở vật liệu sử dụng cho các điện cực cổng (word line).
SK hynix được cho là đang chuyển một phần từ tungsten sang molybdenum.
Khi số lớp NAND tăng lên, các đường dẫn tín hiệu ngày càng mỏng hơn. Trong điều kiện này, điện trở của tungsten tăng lên đáng kể, làm giảm tốc độ truyền tín hiệu.
Molybdenum có điện trở thấp hơn trong các cấu trúc kích thước siêu nhỏ, giúp tín hiệu truyền nhanh hơn và cải thiện hiệu năng đọc ghi.
Trên thực tế, Samsung là hãng đầu tiên đưa molybdenum vào NAND 286 lớp của mình. Tuy nhiên, việc sản xuất với vật liệu này không hề đơn giản bởi các tiền chất molybdenum ở trạng thái rắn ở nhiệt độ phòng và đòi hỏi hệ thống gia nhiệt cũng như kiểm soát quy trình rất chính xác.
Kioxia: Tăng hiệu năng bằng kiến trúc CBA
Khác với Samsung và SK hynix, Kioxia đang tập trung vào công nghệ liên kết wafer như một yếu tố khác biệt quan trọng thay vì chỉ chạy đua về số lớp.
Theo ZDNet, NAND BiCS10 với 332 lớp của Kioxia dự kiến mang lại:
• Tăng 59% mật độ lưu trữ trên mỗi đơn vị diện tích
• Tăng 33% tốc độ truyền dữ liệu
so với thế hệ NAND 218 lớp hiện tại.
Nền tảng cho những cải thiện này là kiến trúc CBA (CMOS Directly Bonded to Array).
CBA tách riêng mảng tế bào nhớ và mạch điều khiển lên hai wafer khác nhau trước khi liên kết chúng lại. Về bản chất, cách tiếp cận này tương tự công nghệ W2W Bonding mà Samsung đang phát triển.
Theo Nikkei, nhờ kiến trúc này, NAND của Kioxia có thể đạt tốc độ đọc ghi nhanh hơn khoảng 20-30% so với nhiều sản phẩm cạnh tranh.
Ngoài ra, theo Tom's Hardware, BiCS10 còn:
• Giảm độ trễ đọc khoảng 4 micro giây
• Giảm 29% điện năng tiêu thụ khi đọc dữ liệu
Kết quả này đến từ việc tối ưu điện áp trên các word line không được chọn trong quá trình đọc liên tục, giúp giảm lượng điện năng lãng phí khi vận hành các cấu trúc NAND siêu cao tầng.
Cuộc đua NAND đang thay đổi
Khi ngành bộ nhớ tiến gần đến cột mốc 400 lớp, số lượng lớp xếp chồng không còn là thước đo duy nhất cho sự tiến bộ công nghệ.
Các nhà sản xuất đang chuyển trọng tâm sang những đổi mới mang tính nền tảng như:
• Công nghệ liên kết wafer tiên tiến
• Vật liệu mới như molybdenum
• Kỹ thuật khắc thế hệ mới
• Kiến trúc tối ưu hiệu năng và tiết kiệm năng lượng
Điều này cho thấy tương lai của NAND sẽ không chỉ được quyết định bởi việc ai có nhiều lớp hơn, mà bởi ai có thể kết hợp hiệu quả nhất giữa mật độ lưu trữ, hiệu năng, điện năng tiêu thụ và khả năng sản xuất hàng loạt.
