3D NAND閃存已經(jīng)走了多遠，未來會怎樣？

全球存儲市場對高密度 NAND 閃存的需求不斷增長。目前，這一需求已通過許多發(fā)展得到滿足，不僅體現(xiàn)在當(dāng)今閃存控制器的功能上，而且尤其是在過去十年中一直處于存儲討論和發(fā)展中心的 3D NAND 架構(gòu)。

隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT)、智能工廠、自動駕駛汽車和其他數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用程序的不斷發(fā)展，這些苛刻應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)存儲要求變得更具挑戰(zhàn)性。雖然與傳統(tǒng) HDD 相比仍然存在價格溢價，但 3D 架構(gòu)的發(fā)展正在將閃存存儲帶入更廣泛的市場，因為它更具可擴展性并且變得更實惠。

3D 技術(shù)：浮柵與電荷陷阱技術(shù)

自 1980 年代在 SLC 閃存的 2D 平面景觀中出現(xiàn)以來，閃存驅(qū)動器一直在使用?浮柵技術(shù)。3D 技術(shù)將事物帶入了第三維度，并帶來了新的挑戰(zhàn)和對電荷陷阱等編程技術(shù)的回歸，供應(yīng)商開始重新考慮用于企業(yè)級 SSD。雖然大多數(shù) 3D 制造商現(xiàn)在已經(jīng)轉(zhuǎn)向電荷陷阱技術(shù)以實現(xiàn)更好的耐用性和可擴展性，但平面技術(shù)仍然主要使用浮柵技術(shù)來存儲數(shù)據(jù)。

有人認(rèn)為，基于電荷陷阱技術(shù)的 NAND 閃存不太容易受到損壞和泄漏的物理影響。這直接影響驅(qū)動器上的錯誤率和剩余編程/擦除 (P/E) 周期等方面。然而，電荷陷阱也面臨著數(shù)據(jù)保留方面的挑戰(zhàn)，尤其是在較高溫度下，這在汽車領(lǐng)域中是一個重大問題，因為承受較高溫度是質(zhì)量要求。

浮柵簡圖

電荷陷阱的簡單示意圖（來源：東芝）

無論是電荷陷阱還是浮柵技術(shù)，從任何給定主機系統(tǒng)發(fā)送到 NAND 閃存的數(shù)據(jù)都需要由閃存控制器管理。這就是為什么高度可靠的控制器是高性能系統(tǒng)不可或缺的一部分。3D 架構(gòu)為高密度閃存開辟了道路，但基于該技術(shù)的存儲應(yīng)用現(xiàn)在對更高水平的可靠性和數(shù)據(jù)保留的需求越來越大，只有通過高端控制器才能實現(xiàn)。歸根結(jié)底，閃存控制器的選擇是實現(xiàn)更高耐用性和壽命的關(guān)鍵。

為什么選擇 3D 技術(shù)：縮放的經(jīng)濟學(xué)

一種明顯的解決方案是使存儲單元更小。閃存已經(jīng)從 120 nm 制造工藝發(fā)展到今天使用的 14 或 15 nm 工藝。這種縮放使容量增加了大約 100 倍（因此降低了每比特成本）。但是，我們正在達到半導(dǎo)體工藝的縮放極限。

另一種方法是在每個存儲單元中存儲更多的數(shù)據(jù)位。最初的單級單元變成了多級單元 (MLC)，它在每個單元中存儲了四個不同級別的電荷，相當(dāng)于兩個數(shù)據(jù)位。從那時起，閃存被設(shè)計為在每個單元中存儲三位（三級單元，TLC）和四位（四級單元，QLC）。這種方法存在一些問題：需要更精確地控制和測量存儲的電荷，這使得讀取和寫入速度稍慢且更容易出錯。然而，密度的增加和每比特成本的相應(yīng)降低使得它在某些應(yīng)用中是值得的。

為了滿足提高存儲密度的需求，閃存制造商現(xiàn)在已經(jīng)進入第三維度。在 3D 架構(gòu)中，構(gòu)建多層存儲單元以在硅中創(chuàng)建 3D 結(jié)構(gòu)。這樣可以為相同的表面積提供更多的存儲空間。3D 架構(gòu)是通過在硅片中垂直構(gòu)建單元層來制造的。這需要更復(fù)雜的制造工藝，但可以大大提高存儲密度，并避免與較小特征尺寸相關(guān)的問題。

3D flash示意圖（來源：東芝）

重要的是要承認(rèn)，更復(fù)雜的制造過程不僅僅被存儲密度的增加所抵消。例如，即使該工藝使晶圓成本翻倍，將存儲密度提高 10 倍或 100 倍也會導(dǎo)致每比特成本顯著降低。

未來是什么樣子的

當(dāng)前的 3D 架構(gòu)使用多達 176 層。盡管目前似乎對層數(shù)沒有任何硬性物理限制，但要遠遠超出這個范圍，可能需要結(jié)合不同的開發(fā)方法將 3D 裸片堆疊在一起。最近的文章討論了行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者計劃在晶圓工藝中堆疊兩個 128 層以實現(xiàn) 256 層。

過去十年中 3D 架構(gòu)的發(fā)展使大容量閃存驅(qū)動器在全球范圍內(nèi)更容易實現(xiàn)。盡管這項技術(shù)在性能、壽命和使更高密度電池（TLC、QLC）更可靠的能力方面帶來了許多好處，但它也與復(fù)雜且極其昂貴的制造工藝相結(jié)合。

結(jié)論

雖然這些制造工藝已經(jīng)被存儲密度的增加所抵消，但向更高密度單元結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變使得對更高質(zhì)量閃存控制器的需求在實現(xiàn)存儲系統(tǒng)中所選 NAND 閃存的全部潛力方面更加不可或缺。當(dāng)考慮到整個數(shù)據(jù)存儲領(lǐng)域中截然不同的用例時，這一概括性陳述就更加相關(guān)：從移動設(shè)備中的消費級 eMMC 到服務(wù)器場中的高性能 SSD，再到工業(yè)自動化工廠中的安全驅(qū)動 PLC。每個用例都有不同的需求，為了更好地了解 3D NAND 閃存如何使存儲系統(tǒng)受益，我們建議與閃存控制器供應(yīng)商聯(lián)系，他們可以詳細解釋這一點。

審核編輯 黃昊宇