3D NAND存儲助力智能手機應用進入新時代

前言

全球的智能手機用戶一直在不斷尋求更好的移動體驗。他們不僅下載比以往任何時候都更多的應用，而且還使用更為復雜的應用來支持攝影、4K Ultra視頻的播放和錄制、電影流式播放、導航、圖像采集以及虛擬現(xiàn)實（VR）/增強現(xiàn)實（AR）等方面更大的技術進步。

在某些地區(qū)，智能手機是唯一與外界聯(lián)系的設備，因此用戶對它們的依賴程度非常高，已經(jīng)習慣于讓手機不間斷地運行并管理他們的日常生活。中國擁有全球最大智能手機用戶群，這些用戶經(jīng)常使用高級在線支付服務（如Alipay（支付寶）和Tenpay（財付通））來支付賬單和管理財務，使用個人通信服務（如微信）來處理語音、視頻、文字和群發(fā)消息，甚至會利用手機叫出租車（如滴滴出行），此類服務已經(jīng)覆蓋四百多座城市的四億用戶。

預計在未來，眾多智能手機應用將產(chǎn)生難以置信的大量數(shù)據(jù)。消費者利用這些下一代數(shù)據(jù)密集型應用的能力將要求智能手機具有極高響應性的系統(tǒng)級性能以及支持更大文件所必需的高容量；同時，這種能力還依賴于智能手機每天產(chǎn)生和采集到的海量數(shù)據(jù)。

2D NAND 與 3D NAND 對比概述

智能手機繼續(xù)在使用嵌入式閃存來存儲和操作應用數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)，因為其存儲單元駐留在適合手機設備有限空間的小型半導體中。幾十年來，閃存一直基于二維平面的NAND技術，其將存儲單元水平地布置在物理空間中，因此受到半導體芯片的“x”和“y”邊界的限制。這項技術已經(jīng)達到了其實際的規(guī)模限制，因此，在每一代產(chǎn)品中，提供越來越大容量、越來越高性能的存儲已經(jīng)變得日益困難。所以3D NAND技術應需而生。它采用創(chuàng)新的工藝架構，能夠帶來比2D平面NAND更大的容量、更好的性能和更高的可靠性。

3D NAND是閃存領域的一個重大進步，它有望釋放巨大的存儲容量增長潛力。其布置在硅底層上的存儲單元能夠被移動到第三維空間，也就是在各個層面上進行垂直堆疊，并且通過傳播電荷的導線進行連接。通過將存儲單元放置在多個層面上，就像摩天大樓的各個樓層一樣，這種垂直堆疊方式能夠在相同的物理空間中實現(xiàn)更大的存儲密度，而不受芯片邊界的限制，并且比2D平面NAND更可靠（稍后討論）。其他討論要點包括行業(yè)優(yōu)勢以及3D NAND如何在系統(tǒng)層次上提高應用性能，從而有助于實現(xiàn)新一波智能手機應用。

智能手機用戶群持續(xù)擴大

智能手機已經(jīng)成為消費者使用最頻繁的移動設備，對用戶也是最重要最關鍵的設備。用戶不僅通過語音、文字和互聯(lián)網(wǎng)與外界保持聯(lián)系，還要通過手機進行娛樂、計算、導航、交易、捕捉珍貴時刻等等。截至2016年，全球智能手機用戶數(shù)量超過20億，預計到2020年將增長至將近30億。

每天都產(chǎn)生更多智能手機用戶，而且人們也對其設備期望更多，這明顯表現(xiàn)在過去幾年中顯著提高的應用下載量（圖1）。

·在美國，消費者的移動應用下載量在2017年（373億）預計將比2016年（292億）提高約28％，而且到2021年底將增加100％（達到747億）。

·在亞太地區(qū)（包括擁有最大用戶群的中國），消費者的移動應用下載量在2017年（1177億）預計將比2016年（862億）提高約37％，而且到2021年底將增加69％（達到1989億）。

圖1：按地區(qū)劃分的全球移動應用下載量

（資料來源：Statista 2017）

隨著智能手機應用的使用量繼續(xù)大幅增加，手機應用下載的實際大小也在不斷提高 -- 目前，移動應用的平均大小在iOS系統(tǒng)中大約為38MB，在Android系統(tǒng)中大約為15MB。

目前應用較為流行的智能手機App中，照片及視頻采集應用的使用量不斷上升 -- 而且目前所采集的內(nèi)容也明顯更加先進和復雜。1小時長度的720p高清（HD）視頻，在每秒30幀的情況下，需要大約3.5GB的存儲空間。而一小時1080p的高清視頻，在每秒30幀的情況下，需要大約7.6GB的存儲空間，而在每秒60幀的情況下需要大約11.7GB的存儲空間。一小時4K Ultra視頻需要大約21.9GB的存儲空間。此外，2016年第四季度全球銷售的智能手機中，將近44％能夠錄制4K分辨率的視頻，而慢動作視頻需要的存儲容量通常比標準視頻高八倍。

為了支持更高的存儲需求，并充分利用規(guī)模更大的下一代應用，智能手機將需要極為靈敏的系統(tǒng)級（芯片組和存儲器）性能和更大的容量。過去的16GB和32GB容量的智能手機現(xiàn)在已經(jīng)被認為不足，因為他們性能低、容量小，無法支持當今活躍的移動生活方式 – 這為3D NAND閃存鋪平了道路。

為消費者帶來的好處

3D NAND以更低的每比特成本解決了與2D平面NAND縮放相關的挑戰(zhàn)，并且提供了更大的容量、更好的性能和更高的可靠性。用于開發(fā)3D NAND的制造工藝使得我們能夠采用更小尺寸的芯片，這樣便可以將更大的電池安裝到相同的物理空間中，從而提供更長的設備可用時間。

3D NAND架構中每個存儲單元之間的空間比傳統(tǒng)的2D NAND架構更寬松，從而支持存儲設備更快地寫入（或傳輸）數(shù)據(jù)。更寬松的單元空間還能夠減少同一個層面上每個相鄰3D NAND單元之間的噪聲和“單元對單元”干擾，從而帶來比2D平面NAND架構更高的存儲數(shù)據(jù)完整性。

存儲級性能的提高能夠改善智能手機應用的性能，并提供更強大的功能，例如更迅速的多次拍攝、更好的4K Ultra視頻播放或者更快的文件傳輸，這能夠支持新一輪的智能手機應用（下一節(jié)將詳述）。采用3D NAND的存儲設備到2017年底預計占NAND總消費量的大約百分之三十，到2019年底將占約百分之六十六，并將在移動設備中大量使用。

支持下一代智能手機應用

3D NAND在性能、存儲密度、可擴展性和可靠性方面均有重大改進，非常適合目前正在開發(fā)的下一代智能手機應用。許多獨特而有趣的應用正在開發(fā)之中，這將使未來智能手機的使用更加令人興奮、更具有吸引力，這些都會推動對3D NAND的需求，以便存儲這些更大的文件以及它們所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量。其中包括：

·全息顯示 -- 支持在智能手機視頻通話中使用3D全息圖來傳達肢體語言

·人工智能 -- 使智能手機能夠了解用戶的個人偏好、興趣、日程等等，從而不僅可以根據(jù)個性化信息提供移動設備體驗，而且還可以不斷積累知識、模仿人的行為、理解真實場景

·無人機仿真 -- 通過模仿無人機的功能，可以將丟失的智能手機引導回合法的所有者手中

·高端游戲 -- 使智能手機轉(zhuǎn)變成與PC類似的高端游戲設備

·熱成像 -- 把智能手機轉(zhuǎn)變?yōu)橐归g模式，也就是與軍事人員和戶外運動愛好者所使用的設備相類似的熱成像光學設備

·實時翻譯 -- 使智能手機能夠?qū)﹃P鍵語言進行實時翻譯，從而幫助存在語言障礙時進行交流，特別是有助于那些處于險境的旅行者

·360度視頻 -- 使配備了360度攝像頭的智能手機能夠創(chuàng)建出同時記錄各個方向景象的視頻，在此過程中，用戶可以控制每個景象，從而能夠創(chuàng)建出動作片段和基本的類似VR（虛擬現(xiàn)實）的體驗

小結

3D NAND解決了與2D平面NAND縮放相關的挑戰(zhàn) -- 以更低的每比特成本（在相同的物理空間上）實現(xiàn)了更高的密度，同時提供更大的容量、更好的性能和更高的可靠性。當嵌入到智能手機等移動設備中時，能夠大幅度改善內(nèi)存級存儲，并挖掘存儲容量方面的巨大增長潛力，而這將推動智能手機應用新時代的到來。有關詳細信息，請參閱白皮書“西部數(shù)據(jù)公司與3D NAND革命”。

關于作者

Christopher Bergey

西部數(shù)據(jù)公司嵌入式和集成解決方案副總裁