Les mé­moires flash Nand 3D conti­nuent leur as­cen­sion

To­shi­ba, Sam­sung, Mi­cron et Hy­nix s’ap­prochent de la cen­taine de couches de cel­lules mé­moires dans leurs puces flash. Ar­ri­vant à ma­tu­ri­té tech­no­lo­gique et in­dus­trielle, ces tech­no­lo­gies pour­raient faire plon­ger le prix uni­taire des mé­moires flash dès l’an

Electronique S - - Sommaire - FRÉ­DÉ­RIC RÉMOND

La conquête de la troi­sième di­men­sion, à sa­voir l’em­pi­le­ment ver­ti­cal de puces ou, à l’in­té­rieur d’une puce, de struc­tures grim­pant comme une pièce mon­tée afin d’aug­men­ter la den­si­té des cir­cuits intégrés et leurs fonc­tion­na­li­tés, est long­temps res­tée un su­jet de frus­tra­tion pour les in­dus­triels de la mi­cro­élec­tro­nique, qui man­quaient de moyens ef­fi­caces et sur­tout fa­ci­le­ment in­dus­tria­li­sables pour re­lier ces dif­fé­rentes couches. Les pro­grès réa­li­sés par les mi­cro­vias ont, ces der­nières an­nées, chan­gé la donne, du moins pour des cir­cuits très spé­ci­fiques et à fort vo­lume de vente pour les­quels l’in­ves­tis­se­ment né­ces­saire se jus­ti­fie. Lo­gi­que­ment, les mé­moires, na­tu­rel­le­ment faites pour ti­rer le plus grand pro­fit de cette pa­ral­lé­li­sa­tion ac­crue, se re­trouvent en pre­mière ligne, et des fa­bri­cants comme Sam­sung, To­shi­ba et SK Hy­nix ne cessent d’amé­lio­rer leurs puces flash Nand à em­pi­le­ment de cel­lules afin d’en aug­men­ter la ca­pa­ci­té à en­com­bre­ment égal. Fixé ac­tuel­le­ment à 64 couches, que ce soit pour les V-Nand du pre­mier, les BiCS du se­cond ou les 3D Nand du troi­sième, l’état de l’art s’ap­prête à tu­toyer les cent couches de cel­lules mé­moires em­pi­lées si l’on en croit les der­niers dé­ve­lop­pe­ments de ces in­dus­triels. Ce qui consti­tue une prouesse tech­no­lo­gique à ne pas sous-es­ti­mer: pro­duire une mé­moire flash 256 Gbit à 64 couches i mplique par exemple la réa­li­sa­tion de plu- sieurs mil­liards de trous de forme ho­mo­gène à tra­vers des di­zaines de couches en pre­nant en compte le poids de ces couches et les pertes en élec­trons dans plus de 80 mil­liards de cel­lules…

In­cer­tain de son ave­nir, To­shi­ba main­tient ses in­ves­tis­se­ments

Alors que son ave­nir reste en sus­pens (et peut-être jus­te­ment à cause de ce­la), To­shi­ba Me­mo­ry mul­ti­plie les an­nonces dans ce do­maine. Le ja­po­nais vient ain­si de dé­ve­lop­per un pro­to­type de mé­moire flash Nand à em­pi­le­ment ver­ti­cal ne com­pre­nant pas moins de 96 couches. Le pro­to­type de To­shi­ba uti­lise des cel­lules à 3 bits (TLC, triple-le­vel-cell) et com­prend en tout 32 Go de don­nées. Les pre­miers échan­tillons de­vraient être dis­po­nibles au se­cond se­mestre 2017, avec pro­duc­tion en vo­lume en 2018. Des­ti­nées tant aux smart­phones qu’aux ta­blettes, cartes mé­moires et disques durs SSD grand pu­blic, ces puces se­ront fa­bri­quées sur le site de Yok­kai­chi dans les Fab 2 et 5 et dans la nou­velle Fab 6 qui ou­vri­ra en été 2018. L’ar­chi­tec­ture à 96 couches se­ra éga­le­ment uti­li­sée pour des puces de plus large ca­pa­ci­té (64 Go) et/ou ba­sées sur des cel­lules à 4 bits (QLC, qua­druple- le­vel- cell). Dans le même temps, To­shi­ba Me­mo­ry a si­gna­lé le dé­ve­lop­pe­ment d’une mé­moire flash Nand BiCS à 64 couches ex­ploi­tant cette fois des cel­lules à 4 bits. Vi­sant prin­ci­pa­le­ment les disques durs SSD, le pre­mier pro­to­type, dont la li­vrai­son a dé­mar­ré au mois de juin, em­barque ain­si 96Go de don­nées sur une seule puce. Cette tech­no­lo­gie per­met­tra éga­le­ment au ja­po­nais de lan­cer des mo­dules mi­nia­tures à 16 puces of­frant une ca­pa­ci­té de 1,5 To. To­shi­ba semble donc avoir au moins rat­tra­pé son re­tard ini­tial sur le lea­der du sec­teur, Sam­sung. Ce der­nier vient de lan­cer la pro­duc­tion en vo­lume de puces flash V-Nand sto­ckant 32 Go de don­nées ré­par­ties sur 64 couches em­pi­lées, des cir­cuits dont l’échan­tillon­nage a dé­mar­ré en jan­vier der­nier. Ces composants à 64 couches, qui consti­tuent la qua­trième gé­né­ra­tion de mé­moires flash à em­pi­le­ment du sud- co­réen, de­vraient re­pré­sen­ter plus de la moi­tié de sa pro­duc­tion men­suelle de mé­moires flash d’ici la fin de l’an­née. Cette mé­moire de 256 Gbit em­barque 3 bits par cel­lule et offre un dé­bit de don­nées de 1 Gbit/s avec un dé­lai d’écri­ture par page de l’ordre de 500 μs. Par rap­port à ses propres f l ash V- Nand à 48 couches, les mo­dèles à 64 couches pré­sentent une consom­ma­tion ré­duite de 30% (elles sont ali­men­tées sous

2,5 V et non plus sous 3,3 V), une lon­gé­vi­té amé­lio­rée de 20% et un gain de pro­duc­ti­vi­té de 30 % se­lon le fa­bri­cant. Et Sam­sung se dit confiant pour pro­duire pro­chai­ne­ment des mé­moires flash consti­tuées de plus de 90 couches et em­bar­quant plus de 1 Tbit de don­nées : une telle puce de­vrait être lan­cée l’an pro­chain, et per­mettre la réa­li­sa­tion de boî­tier V-Nand à 16 puces n’em­bar­quant pas moins de 2To de mé­moire non vo­la­tile dans un for­mat mi­nia­ture.

72 couches chez Hy­nix fin 2017

De son cô­té, SK Hy­nix vient d’in­tro­duire une mé­moire flash Nand à 72 couches de 256Gbit ba­sée sur une ar­chi­tec­ture de cel­lule TLC à 3 bits. Par­ti un peu à la traîne dans cette course, le sud-co­réen a bien oeu­vré de­puis le lan­ce­ment de ses mo­dèles à 36 couches en avril 2016 et 48 couches en no­vembre der­nier. En pas­sant de 48 à 72 couches, le fa­bri­cant as­sure avoir ga­gné 50 % en den­si­té, mais aus­si 20 % en dé­lais de lec­ture/écri­ture. La pro­duc­tion en vo­lume de cette puce de 32Go est pré­vue pour le se­cond se­mestre 2017. En­fin, Mi­cron, qui conti­nue par ail- leurs d’être im­pli­qué dans le dé­ve­lop­pe­ment des mé­moires à changement de phase 3DX­point avec In­tel, pour­suit aus­si ses tra­vaux en mé­moires 3D Nand. L’amé­ri­cain dis­pose dé­jà de puces à 64 couches de 256 Go me­su­rant 59 mm², et planche sur sa troi­sième gé­né­ra­tion de mé­moires flash Nand à em­pi­le­ment, dont la com­mer­cia­li­sa­tion est at­ten­due pour 2018. Quel ave­nir, donc, pour les flash Nand 3D? Le ni­veau d’in­ves­tis­se­ment des dif­fé­rents ac­teurs du mar­ché in­dique que cette tech­no­lo­gie est là pour long­temps, et que les pro­grès ne de­vraient pas se heur­ter à des bar­rières tech­no­lo­giques in­sur­mon­tables dans un proche ave­nir. Dé­jà, les fa­bri­cants tra­vaillent à des em­pi­le­ments de cel­lules dé­pas­sant les cent couches, no­tam­ment en em­pi­lant des blocs de plu­sieurs di­zaines de couches sé­pa­rés par une bar­rière iso­lante – ce que Mi­cron met en oeuvre par exemple pour ses flash Nand à 64 couches, qui sont un as­sem­blage de deux blocs de 32 couches. Alors que cer­tains pré­voyaient une li­mite phy­sique au­tour de 96 couches, cette tech­nique d’em­pi­le­ment de blocs mul­ti­couches de­vrait per­mettre la fa­bri­ca­tion de mé­moire Nand à 256, 384 et même 512 couches dans les an­nées à ve­nir. Chaque nou­velle gé­né­ra­tion im­plique un coût de pro­duc­tion su­pé­rieur à la pré­cé­dente, et les ren­de­ments de pro­duc­tion n’at- teignent les ob­jec­tifs fixés qu’après un ou deux se­mestres, mais ces sou­cis sont lar­ge­ment com­pen­sés par les gains de den­si­té ob­te­nus lorsque la pro­duc­tion en vo­lume dé­marre. Con­crè­te­ment, les mé­moires flash à ar­chi­tec­ture pla­naire

sont res­tées com­pé­ti­tives jus­qu’à l’ar­ri­vée des flash 3D à 32 couches, qui ont dé­bar­qué en vo­lume l’an pas­sé; à par­tir des mo­dèles à 48 couches, et a for­tio­ri avec les mé­moires à 64 puis 96 couches, ces der­nières de­viennent bien moins oné­reuses que les ver­sions pla­naires en dol­lar/gi­ga­oc­tet. Gros­so mo­do, une tranche de mé­moires f l ash 3D peut au­jourd’hui coû­ter deux fois plus cher à pro­duire qu’une même tranche de flash pla­naires, mais em­barque plus de trois fois plus d’oc­tets… Se­lon une ana­lyse de la so­cié­té d’étude MKWVen­tures Consul­ting ren­due pu­blique lors du ré­cent Flash Me­mo­ry Sum­mit de Santa Cla­ra, les mé­moires Nand 3D re­pré­sen­te­ront la moi­tié du mar­ché des flash Nand cette an­née (en nombre de bits li­vrés), et ap­pro­che­ront des 75% en 2018: c’est bien toute une in­dus­trie qui opère sa conver­sion. La pé­nu­rie ac­tuelle de mé­moires flash s’ex­plique en grande par­tie par cette tran­si­tion : les dé­lais de mise au point des pro­cess des flash 3D, et le fait que tous les fa­bri­cants ma­jeurs ont cou­pé leurs in­ves­tis­se­ments en flash pla­naires pour pri­vi­lé­gier cette nou­velle tech­no­lo­gie, ont créé un manque re­la­tif alors que l’ap­pé­tit du mar­ché pour les mé­moires flash conti­nue de croître, pous­sé par les ap­pli­ca­tions grand pu­blic (smart­phones en tête) et la dé­mo­cra- ti­sa­tion des disques durs SSD. Les ventes mon­diales de flash Nand, qui ont dé­pas­sé les 30 mil­liards de dol­lars en 2016, pour­raient bon­dir à plus de 45Md$ cette an­née sous l’ef­fet de ces ten­sions d’ap­pro­vi­sion-

ne­ment – et donc de coûts uni

taires qui s’en­volent. « Les prix de­vraient se sta­bi­li­ser au mi­lieu de l’an­née 2018, avant de s’ef­fon­drer sous l’ef­fet des ca­pa­ci­tés de pro­duc­tion en flash Nand 3D que tous les fa­bri­cants mettent au­jourd’hui en place », es­ti­mait Jim Han­dy, ana­lyste chez Ob­jec­tive Ana­ly­sis, lors du Flash Me­mo­ry Sum­mit. L’in­dus­trie des mé­moires est ha­bi­tuée à ces cycles vio­lents, et la pro­chaine baisse des prix ne man­que­ra pas d’éprou­ver les reins des dif­fé­rents ac­teurs, voire de ren­for­cer un peu plus la conso­li­da­tion du mar­ché. Pour l’heure, ils font bom­bance. Mi­cron vient d’ache­ver son troi­sième tri­mestre fis­cal 2017 sur un chiffre d’af­faires re­cord de 5,57 Md$, en hausse an­nuelle de… 92%. Chez SK Hy­nix, la pro­gres­sion des ventes entre les deuxièmes tri­mestres fis­caux 2016 et 2017 at­teint 70 %, le co­réen ayant ven­du pour 5,86 Md$ de mé­moires lors des trois der­niers mois (avec un bé­né­fice net de plus de 2 Md$ !). En proie à des dif­fi­cul­tés fi­nan­cières qui ont je­té un voile sur l’ave­nir de ses ac­ti­vi­tés en se­mi-conducteurs, To­shi­ba, qui a ras­sem­blé sa fa­bri­ca­tion de mé­moires sous la ban­nière To­shi­ba Me­mo­ry Cor­po­ra­tion (TMC), vient de confir­mer un in­ves­tis­se­ment de 1,76 Md$ du­rant son an­née fis­cale 2017 pour équi­per son usine Fab 6 de Yok­kai­chi (Ja­pon) pour la pro­duc­tion de flash BiCS à 96 couches. Le ja­po­nais a vu ses ventes de mé­moires pro­gres­ser de 35% pour at­teindre 2,3 Md$ lors du pre­mier tri­mestre fis­cal 2017. En­fin, nul be­soin de rap­pe­ler que Sam­sung vient pour la pre­mière fois de­puis vingt-cinq ans de contes­ter la pre­mière place d’In­tel sur le mar­ché des se­mi­con­duc­teurs, avec un chiffre d’af­faires tri­mes­triel d’en­vi­ron 15Md$ réa­li­sé en grande par­tie grâce à ses ventes de mé­moires(*).

< Ini­tiée au prin­temps 2015, cette nou­velle usine Sam­sung sise à Pyeong­taek ( Co­rée du sud) et dé­vo­lue à la fa­bri­ca­tion de mé­moires flash V- Nand à 64 couches vient de dé­mar­rer sa pro­duc­tion en vo­lume.

≥ Mi­cron planche avec In­tel sur sa troi­sième gé­né­ra­tion de mé­moires flash Nand 3D.

< L’ave­nir de To­shi­ba en mé­moires de­meure in­cer­tain, mais le ja­po­nais conti­nue d’in­ves­tir lour­de­ment pour sou­te­nir le dé­ve­lop­pe­ment de ses flash Nand à 96 couches.

≥ SK Hy­nix va dé­mar­rer la fa­bri­ca­tion de mé­moires flash Nand 3D à 72 couches dans son usine M14 d’Icheon.

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