NAND閃存面臨限制,英特爾的3D XPoint戰(zhàn)略

當(dāng)英特爾在1988年推出第一批NOR芯片時，閃存開始聲名鵲起。并且，NOR為三年后的NAND閃存鋪平了道路。在所有半導(dǎo)體技術(shù)中，NAND的部署速度史無前例，在短短十年內(nèi)，從18億美元增長到180億美元。到2017年，該技術(shù)創(chuàng)造500億美元收入，這是創(chuàng)歷史記錄，相當(dāng)于1990年全球半導(dǎo)體市場的總和。NAND閃存無疑是大市場。

但隨著業(yè)界開發(fā)出多種新的存儲技術(shù)作為潛在替代品，這種局面即將發(fā)生改變。

NAND閃存面臨限制

在過去40年里，根據(jù)摩爾定律，通過平均每年減少30%單個比特的大小，每年或每兩年半導(dǎo)體芯片上的晶體管數(shù)量翻一番。這反過來又可降低成本，推動芯片更廣泛的部署。這種30%的減少被稱為工藝縮減，而這種持續(xù)的尺寸和成本降低的現(xiàn)象被稱為縮放。

大多數(shù)半導(dǎo)體都可以持續(xù)縮小，但閃存不是這樣：在閃存中，位作為電子存儲在浮動?xùn)艠O上，浮動?xùn)艠O可承載的電子數(shù)量與晶體管的大小成正比。在15納米（nm）工藝幾何結(jié)構(gòu)中，1和0之間的差異僅為幾十個電子，這在數(shù)字芯片內(nèi)的噪聲中極其難以檢測。如果制造商將晶體管的尺寸減小30%%，正如他們一直做的那樣，那么，電子的數(shù)量就會低于可檢測的水平。

整個半導(dǎo)體市場一直建立在持續(xù)降低成本的期望之上。如果閃存價格不再下降，這顯然行不通。面對平面NAND縮放限制，我們應(yīng)該怎樣做來繼續(xù)降低成本？

3D NAND登場

在2006年，東芝（Toshiba）推出了一個聰明的解決方案。他們不是繼續(xù)縮小芯片表面的晶體管，而是創(chuàng)建垂直結(jié)構(gòu)并沿著塔璧建造晶體管，類似于城市辦公樓墻壁的垂直花園。如果地球表面沒有足夠的種植面積來種植花園，那么就在建筑物的墻壁種植吧。

即使晶體管無法縮放，通過利用這種方法來增加芯片上的晶體管數(shù)量，東芝計劃繼續(xù)降低閃存單元的成本。他們將這種方法稱為Bit Cost Scaling，或者說BiCS，這是3D NAND閃存的基礎(chǔ)。

BiCS不僅可以繼續(xù)降低成本，還可支持繼續(xù)使用NAND閃存，因為3D NAND和平面NAND非常相似，只需很少或者根本不需要重新設(shè)計就可互換使用。消費者可能會使用兩個USB閃存驅(qū)動器，一個采用3D NAND，另一個是平面NAND，但他們無法區(qū)分二者。這比其它一些新的存儲技術(shù)更具優(yōu)勢。 目前業(yè)界采用東芝的方法。通過BiCS，通過填充半導(dǎo)體層中的孔，在形成的列中構(gòu)建位。那問題就變成：我們可以構(gòu)建多高的垂直位塔？現(xiàn)在還不清楚。

當(dāng)東芝首次開發(fā)BiCS時，人們普遍認(rèn)為列中位數(shù)將受到芯片中層數(shù)的限制，以及用于創(chuàng)建列的孔的寬度和深度的限制。制造商不能使這個孔小于20nm，因為一些同心層材料必須涂覆在內(nèi)部，而這些同心層具有最低厚度要求。同時，深度與垂直層的數(shù)量成比例，而這些垂直層也有最低厚度要求?？紤]到這些限制，孔的縱橫比（深度除以直徑）由閃存中的垂直層數(shù)決定。

構(gòu)建3D NAND

3D NAND采用相對簡單的方法以將更多晶體管放在芯片上：在側(cè)向構(gòu)建晶體管，而完全不同于此前的方式。

大多數(shù)芯片通過光刻工藝制造。在這里，制造數(shù)十億晶體管的模式被映射到硅晶片表面，通過類似于照片底片被稱為mask的方法照射光線，然后處理未曝光的硅片部分。這本質(zhì)上是一種平面方法；照片總是二維的。

那么，我們?nèi)绾螌⑵滢D(zhuǎn)變?yōu)?D？在創(chuàng)建3D NAND時，創(chuàng)造者意識到他們可通過另一種方法來構(gòu)建他們需要的高度重復(fù)的模式。如果他們在芯片表面制造很多層材料，例如夾心蛋糕，然后他們可在所有這些層蝕刻孔。這產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)類似于在孔壁側(cè)面打印照片。同時，這不需要采用照相過程就可完成，因為這種模式已存在于圖層中。當(dāng)然，除此之外還有更多細(xì)節(jié)，但這基本就是3D NAND的秘密。

40比1的縱橫比難以制造，60比1則極具挑戰(zhàn)性。但隨著層數(shù)增加，則需要更高的縱橫比。這似乎意味著3D NAND將限制為三代，或者說大約100層，然后它會被新技術(shù)取代。

半導(dǎo)體研究人員是非常創(chuàng)新的群體，他們又提出新的想法，被稱為字符串堆疊，可支持更高的層數(shù)。通過字符串堆疊，可制造一定層數(shù)的3D NAND，然后在其上方構(gòu)建另一組層級。每組新的層，會形成新的孔，但這個孔是通過較少層數(shù)來蝕刻，因此其縱橫比保持適中。例如，Micron Technology通過32層兩次蝕刻來產(chǎn)生當(dāng)前的64層3D NAND，而不是通過64層來蝕刻具有挑戰(zhàn)性的孔。這相當(dāng)于兩個30比1縱橫比孔和一個60比1縱橫比孔之間的差異。

沒有人知道字符串可堆疊多少次會達(dá)到極限。普遍的觀點是500層限制，但這無法確定。在半導(dǎo)體世界中，常識通常被證明是錯誤的。

現(xiàn)在的64層芯片的密度高達(dá)1太字節(jié)（128GB），而500層芯片可能可存儲幾乎10倍多數(shù)據(jù)。我們當(dāng)然可以想象太字節(jié)芯片。如果太字節(jié)芯片構(gòu)建在500層工藝上，這相當(dāng)于64層128GB。 字符串堆疊的影響意味著3D NAND可能還會存在很長一段時間時間。

3D XPoint呢？

在2015年，英特爾和Micron推出名為3D XPoint的新型內(nèi)存。這項新技術(shù)承諾提供類似RAM的動態(tài)速度，價格點在DRAM和NAND閃存之間。這里的目標(biāo)是在DRAM主存儲和NAND SSD之間提供新的存儲層，以提高計算機的性價比。

3D XPoint并不會取代NAND閃存或DRAM，盡管它可能會用于減少系統(tǒng)所需的DRAM數(shù)量以達(dá)到任何給定的性能水平。這完全不同于很多新存儲技術(shù)，因為很多新存儲技術(shù)旨在取代閃存或DRAM—當(dāng)達(dá)到擴展限制時。

到目前為止，3D XPoint只能在PCIe非易失性存儲器快速（NVMe）接口中使用。雖然NVMe是SSD最快的接口，但與3D XPoint內(nèi)存的固有速度相比，它速度仍然較慢。事實上，雖然英特爾和Micron公司認(rèn)為3D XPoint的速度是NAND閃存的1000倍，但事實上，英特爾Optane固態(tài)硬盤的速度只有NAND閃存的六到八倍。

顯然，這里需要DIMM接口來釋放3D XPoint的速度以及充分利用其性價比優(yōu)勢。英特爾承諾以DIMM格式發(fā)布3D XPoint內(nèi)存，但他們尚未公開推出這樣的產(chǎn)品。不過，英特爾透露，他們已經(jīng)在2018年8月的閃存峰會上向谷歌提供這些DIMM。

Objective Analysis的2015年3D XPoint報告預(yù)測，3D XPoint內(nèi)存最重要的市場是用于服務(wù)器的DIMM。我們也認(rèn)同這一結(jié)論?，F(xiàn)在的3D XPoint內(nèi)存市場規(guī)模相對較小，主要包括愿意花費大量資金來小范圍提升性能的客戶。

英特爾的3D XPoint戰(zhàn)略

讓英特爾頭痛的是，3D XPoint市場規(guī)模仍然很小，這讓他們無法將該產(chǎn)品大批量生產(chǎn)。如果沒有高產(chǎn)量，其生產(chǎn)成本將會保持很高，可能高于DRAM。然而，英特爾必須以低于DRAM的價格出售3D XPoint，才會吸引消費者。這意味著英特爾必須賠錢來建立市場。

這種方法可能不會吸引其他公司，但對于英特爾來說則不同。3D XPoint內(nèi)存使該公司可銷售價格更高的處理器，以幫助他們賺回在3D XPoint銷售中損失的資金。

其他新興內(nèi)存技術(shù)

3D XPoint只是眾多正在研發(fā)的新內(nèi)存技術(shù)之一。有些內(nèi)存技術(shù)已經(jīng)開發(fā)相當(dāng)長的時間，例如相變存儲器（PCM），英特爾的Gordon Moore早在1970年就寫過相關(guān)文章。

這些新技術(shù)可實現(xiàn)高性能、低功耗、非易失性以及最重要的是，超越DRAM和NAND閃存的擴展限制。但NAND閃存和DRAM開發(fā)商仍在繼續(xù)想辦法繞過障礙，從而推遲新技術(shù)取代NAND和DRAM的時間。

嵌入式存儲市場最有可能成為這些新技術(shù)的溫床。但這些新技術(shù)可能需要很長時間才有機會取代DRAM或者NAND閃存。嵌入式內(nèi)存將更快采用新技術(shù)，因為邏輯芯片上的內(nèi)存必須簡單且經(jīng)濟地用于制造ASIC、微控制器和微處理器。

NOR閃存是這些芯片上最常見的非易失性內(nèi)存，它難以擴展超過45納米，雖然實驗室原型可達(dá)到最低14納米。同樣的，即使是靜態(tài)RAM也很麻煩，SPAM位的大小無法成比例地縮放。這可能導(dǎo)致芯片的SPAM部分膨脹，并限制成本優(yōu)勢，這是縮放ASIC、微控制器和微處理器到更小工藝可實現(xiàn)的成本優(yōu)勢。

NOR和SRAM都是是新存儲技術(shù)可取代的對象，新技術(shù)還包括：

磁性RAM（MRAM）是基于磁性技術(shù)，目前已經(jīng)在大批量生產(chǎn)中，用于制造HDD中的磁頭。五年來，Everspin Technologies一直在生產(chǎn)這種非易失性技術(shù)作為獨立內(nèi)存，并且正在開發(fā)嵌入式版本。MRAM是基于類似DRAM的但晶體管單元，使其能夠在成本上與DRAM競爭，而不是NAND閃存。

相變內(nèi)存是英特爾和Micron的3D XPoint內(nèi)存的基礎(chǔ)。大約在10年前，它作為NOR閃存的替代品投入生產(chǎn)，但只有英特爾、三星和STMicroelectronics推出該技術(shù)，現(xiàn)在這些廠商已經(jīng)放棄該產(chǎn)品。

鐵電RAM（FRAM）已經(jīng)投入生產(chǎn)長達(dá)20多年，但由于它依賴鉛材料而破壞底層硅的完整性，因而人們對其認(rèn)可度有限。盡管如此，富士通生產(chǎn)的基于FRAM芯片幾乎超過所有替代內(nèi)存替代品的總和。新的研究已經(jīng)確定一種更友好和更好理解的材料：氧化鉿，可作為鐵電層，使得人們重新關(guān)注這項技術(shù)。

導(dǎo)電橋接RAM（CBRAM）是基于通過硫系玻璃對金屬絲的遷移。Adesto Technology是唯一一家提供這種內(nèi)存類型的公司。

電阻式RAM（ReRAM）采用一種類似的技術(shù)，其中納米金屬絲通過硫系玻璃層生長。ReRAM開發(fā)了一種位單元，其中包含內(nèi)部選擇器機制，可簡化生產(chǎn)過程，同時無需開發(fā)單獨的選擇器。

耗氧RAM（OxRAM）是基于類似CBRAM的現(xiàn)象，其中氧離子從硫系玻璃中移除以形成導(dǎo)電通路。該技術(shù)尚未投入生產(chǎn)。惠普企業(yè)計劃在其高級計算機The Machine中使用OxRAM，但這種方法（被稱為Memristor）被推遲到最近。

Nanotube RAM, or NRAM,by Nantero is based on a layer of carbon nanotubes that can be electrically compressed or expanded to create a high- or low-resistance state.

納米管RAM或者NRAM是基于碳納米管層的技術(shù)，它可被電力壓縮或擴展以產(chǎn)生高阻抗或低阻抗?fàn)顟B(tài)。

除MRAM外，所有這些技術(shù)都是基于雙端選擇器。這些選擇器支持微小的單元尺寸–4f2，或者是光學(xué)印刷在芯片的最小特征尺寸的四倍。它們也可采用3D XPoint內(nèi)存類似的方法進(jìn)行堆疊以降低成本。

直到最近研究才發(fā)現(xiàn)，我們可利用氧化鉿來制造FRAM，所有上述技術(shù)都需要使用新材料，這些材料并不像硅那么好理解。這無疑阻礙這些新技術(shù)的部署，因為這些新材料可能會阻礙大規(guī)模生產(chǎn)。

成本是阻止這些技術(shù)取代現(xiàn)有內(nèi)存技術(shù)的最重要因素。所有這些存儲技術(shù)都比DRAM或NAND閃存貴幾個數(shù)量級，使它們只能用于小眾應(yīng)用。FRAM，可在低功耗下快速寫入的技術(shù)。而MRAM，可快速寫入并具有非易失性，而無需不可靠的電池。PCM因其高輻射耐受性而被選用于衛(wèi)星，而CBRAM出于類似的原因，用于高劑量X射線滅菌的外科手術(shù)器械中。

在這些技術(shù)投入批量生產(chǎn)前，沒有哪項技術(shù)可實現(xiàn)低成本以取代現(xiàn)有內(nèi)存技術(shù)。除非有市場，否則不會大量生產(chǎn)，而在價格下降之前市場不會發(fā)展。這是雞與雞蛋的關(guān)系。

展望未來十年

至少在未來十年，NAND閃存仍然將占主導(dǎo)地位，隨后是DRAM。如果英特爾實現(xiàn)其3D XPoint目標(biāo)，那么它將投入批量生產(chǎn)—盡管英特爾最初將賠錢賺吆喝。在短期內(nèi)，其他新內(nèi)存技術(shù)將作為片上內(nèi)存獲得成功，但它們將在相當(dāng)長的時間內(nèi)無法與獨立的DRAM和NAND閃存芯片相競爭。鄒錚翻譯