鎧俠展望3D XPoint前景，3D NAND技術(shù)成熟占據(jù)主導(dǎo)

未來十年，存儲市場仍將繼續(xù)追求存儲的密度、速度和需求的平衡點。盡管各個廠家的技術(shù)側(cè)重點不盡相同，但鎧俠（原東芝存儲器）對 3D XPoint 之類的堆疊類存儲方案的前景并不看好。在今年的國際電子設(shè)備會議（IEDM）上，該公司宣布了 BiCS NAND Flash系列和即將推出的 XL-Flash 技術(shù)，并且附上了一份展現(xiàn)未來愿景的幻燈片。

（題圖 via AnandTech）

動態(tài)隨機存儲器（DRAM）、閃存（NAND Flash）和“存儲級內(nèi)存”（SCM），是當(dāng)前市面上的三大發(fā)展方向，鎧俠也對英特爾和美光的 3D XPoint 長期愿景進(jìn)行了展望。

過去幾十年，閃存的浮柵和電荷陷阱技術(shù)，已經(jīng)歷多次變化。新開發(fā)的存儲器，其狀態(tài)取決于單元中介質(zhì)的電阻或自旋，而不是電壓。

傳統(tǒng)上很容易將每個單元視作不同值的“0”或“1”。但隨著材料類型的發(fā)展，每個單元已能夠容納更多的狀態(tài)（SLC、MLC、TLC、QLC 等）。

此舉能夠輕松獲得倍增的容量，但也對檢測電路的精準(zhǔn)度提出了更高的要求，通?？稍黾訂卧笮　⒒蚪档涂傮w密度來實現(xiàn)。

鎧俠當(dāng)前的 BiCS NAND Flash技術(shù)，依賴于在塔中堆疊多層浮柵單元，然后在 xy 方向重復(fù)該設(shè)計以增加容量。目前，該公司已大量推出 TLC 和 QLC 產(chǎn)品，并希望打造面向特殊應(yīng)用的每單元 5 比特位產(chǎn)品。

BiCs 系列產(chǎn)品的設(shè)計層數(shù)也在不斷增加，從 32 層增加到 48 層，再到 64 層和 96 層，預(yù)計將來會增加 128 層以上。與其它方法相比，層數(shù)的添加，還是相對更加容易的。

此外，鎧俠還在開發(fā)一種名叫 XL-Flash 的新型閃存。傳統(tǒng)閃存以“頁面”和“塊”的方式工作，而存儲類內(nèi)存以“比特位”的方式工作。

這意味著，盡管 DRAM 可訪問每個比特位并對其進(jìn)行修改，但在閃存中，這意味著任何寫操作都需要一次寫入整個頁面，寫入的損耗也成倍更大。

3D 堆疊式存儲單元的工作方式與3D NAND Flash有所不同，以 3D XPoint 為例，其主要是使用相變材料來改變存儲單元的電阻，并可以通過電子選擇器開關(guān)進(jìn)行訪問。

其原理是通過縱橫的字線位線之間的電阻值作為“0”、“1”二進(jìn)制信息，如下圖，綠色塊的電阻用來儲存信息，也就是memory cell，selector（灰色塊）可以控制改變綠色塊電阻，選擇讀或?qū)憽Ｍㄟ^交替改變字線和位線的方向來構(gòu)建存儲器，以保留 SCM 的比特位可尋址特性。如需堆疊更多的層數(shù)，也只需添加額外的字線和位線，以及其間的單元。不過，Intel并沒有公布3D XPoint的核心技術(shù)細(xì)節(jié)，所以外界也是知之甚少。

與NAND Flash相比，3D XPoint技術(shù)在速度及耐用性方面均實現(xiàn)了高達(dá)1000倍的提升。除了相比NAND Flash而言超出1000倍的速度和超出1000倍的耐用性，3D XPoint技術(shù)的存儲密度也提升了高達(dá)10倍，能夠以較低成本滿足用戶在非易失性、高性能、高耐用性和高容量方面對存儲與內(nèi)存的需求。

即便如此，鎧俠仍不看好 3D XPoint 的前景。鎧俠認(rèn)為，首先是相對于層數(shù)的每比特位成本，層數(shù)的增加會帶來更高的復(fù)雜性，控制電路會損失一部分面積，產(chǎn)能損失的影響也更大。

相比之下，3D NAND 技術(shù)要成熟得多，市面上已大量上市 90 多層的產(chǎn)品，且無人否認(rèn)層數(shù)堆疊是一種行之有效的方法，因其面積上的損失幾乎為零、產(chǎn)量的損失也極低。

在制造過程中，3D NAND 的某些蝕刻和填充步驟，可一次覆蓋很多層。相比之下，3D 堆疊 SCM 技術(shù)，仍未充分?jǐn)U展到單層設(shè)備之外的市場。

鎧俠數(shù)據(jù)顯示，盡管其 BiCS 閃存在經(jīng)過 10 層時會降低到每比特成本的漸近值，但與單層方案相比，3D 堆棧 SCM 最多只能將 4-5 的成本降低到每比特成本的 60%（之后就開始飆升）。

原因是后者未能受益于數(shù)十年改進(jìn)的復(fù)雜工藝，導(dǎo)致每層的成本增加、面積的損失、以及產(chǎn)量的下跌。為構(gòu)建 3D 堆棧存儲器，這是一個艱苦的過程。每多一步驟，良率也就更低。

如上方公式所示：其中 n 為層數(shù)，Cf 為公共層的成本，Cv 是每增加一層的成本，A 是添加一層造成的面積損失，Y 是單層的產(chǎn)量損失。

有鑒于此，鎧俠在會議上指出，在 3D SCM 的情況下，12 層左右的每比特位成本還是相當(dāng)?shù)?。但若層?shù)增加到 NAND Flash一樣多（以 64 層 SCM 為例），單層每比特位成本就暴增到 50 倍了。

即便強力推動對 3D 堆疊式 SCM 的支持，當(dāng)今 4 層以上的堆疊預(yù)測成本也已經(jīng)過高，且未考慮到潛在發(fā)展的這項技術(shù)在未來的變數(shù)。

綜上所述，SCM 確實可在存儲領(lǐng)域提供超大的數(shù)據(jù)池，每 GB 成本較NAND Flash低很多。但長期看來，在未來很長一段時間內(nèi)，NAND Flash仍將在行業(yè)內(nèi)占主導(dǎo)地位。