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英特尔大连工厂:一座高度自动化的存储晶圆制造与科研基地

在数字时代的今天,芯片无处不在。从计算、存储到网络连接,全部都依赖于芯片。由于芯片设计生产极其复杂,并且投入巨大,因此很少有企业涉足半导体领域。作为全球知名的半导体芯片研发制造商,英特尔在芯片领域耕耘50余年,积累了丰富的芯片设计研发和生产制造经验,并在全球各地建立了生产制造工厂。其中,位于中国大连的英特尔工厂,即是继英特尔自1992年在爱尔兰建立F10晶圆厂后,新建的第一座晶圆厂,也是英特尔在亚洲的第一个晶圆制造工厂,总投资25 亿美元,总建筑面积为 16.3万平米,其中洁净厂房面积达1.5万平方米。

近期,记者与其它媒体朋友一起来到大连,跟随英特尔工作人员的脚步,参观了这座亚洲的第一个晶圆制造工厂,初次探访存储晶圆制造与科研工厂,干净整洁和高度自动化的生产车间给记者留下了深刻的印象。英特尔非易失性存储方案事业部副总裁、英特尔大连存储技术与制造基地总经理梁志权告诉记者,英特尔的存储技术主要分为两种:一种是3D NAND,一种是傲腾。英特尔大连工厂主要是集中在3D NAND存储技术上。据介绍,英特尔大连工厂也被称为“DMTM”(Dalian Memory Technology and Manufacturing),不仅仅是一个很大的生产基地,而且还负责部分研发工作。

英特尔非易失性存储方案事业部副总裁、英特尔大连存储技术与制造基地总经理梁志权

英特尔大连工厂——亚洲唯一一家晶圆制作工厂

在全球,英特尔有两种类型的工厂,一类是晶圆制作工厂,一类是封装测试厂。据梁志权介绍,2007年奠基后,作为亚洲唯一的一家晶圆制作工厂,大连工厂于2015年转型成3D NAND存储技术工厂,一年之后就实现了量产,并于2017年建立了新的68A工厂。

资料显示,2015年英特尔宣布将投资55亿美元(这也是英特尔迄今在中国最大的单笔投资),将大连工厂升级为英特尔 “非易失性存储”制造工厂,本次投资项目将使大连厂成为在英特尔的非易失性存储器产品集成电路全球制造网络中使用300毫米晶圆中目前最先进技术的生产中心之一。目前,大连工厂内部全部采用了英特尔自主设计的MES系统,自动化生产的程度非常高。虽然在参观中隔了一层厚厚的玻璃,但仍然可以看到车间顶部的机器人在有序的进行生产,而整个车间内仅有几名工作人员在忙碌。据介绍,大部分时间工人只需要在自己的座位上远程监控着机器人生产,整个车间已经基本上可以实现自动化操作。

之所以将机器人放到车间顶部,英特尔中国区非易失性存储事业部总经理刘钢表示,建这个工厂不算设备,每平方的造价达到了几千美金,所以能节约任何的场地面积都是很重要的。因此,把存储部分放到天花板上是很有讲究的,能够提高很多效率。

大连工厂仅仅成立两年,即获得了英特尔公司内部最高的团体奖项:质量金奖。谈到获得的殊荣,梁志权表示没有任何一个其他分公司会在成立仅两年的时间内获得英特尔质量金奖,大连工厂是第一个,也是唯一一个。之所以能够获得如此高的奖项,与大连员工能按照操作守则一步一步执行,拥有严谨的纪律性密不可分。

借助英特尔Floating Gate技术提高存储容量并提升稳定可靠性

对于英特尔的傲腾,我想大家已经并不陌生,在本次大连工厂行的主题演讲中,刘钢从当前存储面临的主要瓶颈谈起,以“存储金字塔”的存储架构再一次详细为记者介绍了英特尔傲腾技术及其相对应的产品和解决方案,让记者对傲腾有了更加深入的了解。

英特尔中国区非易失性存储事业部总经理刘钢

不过,与傲腾相比,采用英特尔Floating Gate(浮动栅极设计)技术架构的新一代NAND SSD更加吸引记者的眼球,而新一代的NAND SSD已经开始在大连工厂生产。

一个存储单元能否存储数据,或者能实现什么样的存储数据水平,取决于俘获了多少电子数;能够存多久则取决于电子会不会逃离。目前,NAND SSD有两种实现方式:一种是英特尔Floating Gate,另一种是Charge Trap(电荷撷取设计),两者之间的最大差别是Floating Gate技术架构下每一层之间是断开的,通过隧道效应把电子俘获起来。Charge Trap技术架构上下层是靠中间的绝缘体把电荷俘获起来,电子进去之后就不会跑掉。不过,由于Charge Trap架构上下之间是连通的,它依赖一种绝缘材质来隔离电子,当层数越做越多,上下层之间距离就会越来越小,长期存储时电子就会出现逃逸情况。(如下图)

采用Charge Trap技术架构如果做到一百多层,甚至下一代的200多层,蚀刻工艺就会变得越来越难。而采用Floating Gate技术架构,无论是对工艺、工厂都有极高的要求。

除了Floating Gate技术架构之外,控制存储的电路存放位置也是一项具有技术难度的挑战。英特尔将其放在了存储介质下面,大幅节省了面积,原理与现在高楼住宅区的地下车库类似。刘钢表示,由于英特尔采用了统一架构,中间不需要隔开,也不需要在外面再设置CMOS控制电路,所以控制电路不会占据芯片面积,这会至少提高10%以上的有效率。(如下图)

除了以上两种提高存储容量的方式之外,刘钢还介绍了第三种技术方案,即在可以稳定可靠俘获电子数时,通过在同一个单元里分出更多的电子水平来实现更大的存储容量。据刘钢介绍,原来SLC只有0和1两个状态,之后的MLC有4个状态,发展到TLC时就变成了8个状态,而QLC有16个状态,因为可以增加每个单位的电子数,稳定可靠的做到16个状态的增生,这样就能够很好的提高存储密度。

刘钢表示,经过5年之后,电子的水平能够让用户在读取的时候可以看出来,如果采用Charge Trap技术,假设上下绝缘,则会产生非常大的损耗。而采用英特尔Floating Gate技术,变化则会非常小。所以,英特尔Floating Gate技术用在存储上会更加稳定可靠。(如下图)

据介绍,目前英特尔大连工厂已经开始生产96层的存储产品了,到2020年提供给合作伙伴和客户的产品就会变成144层的,通过144层+QLC,可以稳定俘获电子,让用户数据中心的存储变得更加可靠。(如下图)

此外,除了增加每一个芯片上的密度之外,英特尔还采用新的Form Factor技术让存储的密度在单条即可以达到32TB,1U服务器即可以做到1PB的密度,以此来增加密度,节约存储占地面积,并节省功耗。(如下图)

除了QLC之外,英特尔已经开始布局PLC,每个Cell里面可以做到32个电子状态,进一步提高密度,这也充分证明英特尔在存储生产工艺、架构和制程上的领先性。

携手浪潮共推傲腾存储平台加速数据中心存储变革

为了推动傲腾存储平台在数据中心的应用,英特尔还积极携手合作伙伴,共同推动傲腾存储平台的落地,加速数据中心的存储变革。在此次大连工厂行中,记者就见证了英特尔与浪潮的合作。

英特尔与浪潮的合作可以追溯到十多年前,双方在服务器、存储等IT基础设施领域保持深度合作,并且积极探索各种新技术的应用和普及。此次战略合作聚焦固态存储技术领域,作为业界首款结合内存和存储属性的固态盘,英特尔傲腾SSD基于NVMe协议,单盘性能最高可达500,000 IOPS,延时在30微秒以内,打破了数据中心存储介质的性能瓶颈,被称之为“数据存储领域的一大重要突破”。而浪潮存储的优势在系统及应用能力,面向新数据新存储需求,浪潮全面推进分布式存储、全闪存储、混闪存储等多产品组合,是中国同时进入Gartner分布式存储和通用存储魔力象限的两家厂商之一,并在Gartner分布式文件存储关键能力报告中表现突出,产品竞争力位居全球前三、中国第一。

浪潮存储产品部副总经理孙斌

据浪潮存储产品部副总经理孙斌介绍,在固态存储技术领域,浪潮和英特尔一方面于近期联合推出以双端口傲腾SSD作为高速缓存的全闪存储平台,通过架构设计和InTier智能数据分层算法优化,提高整体存储平台的性能,提升用户应用的效率;另一方面将联合推出行业场景化解决方案,结合金融、交通、政府、能源等行业的云数据库、AI处理等应用,双方在技术、测试、方案和服务方面密切合作,推动行业用户将实时业务部署在全闪存储平台上。

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