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    4.1 NAND闪存:20nm成主流,15nm露曙光

    2012年的SSD固态硬盘横评中,我们测试14款SSD使用的还是25nm(包含24nm、27nm工艺等)工艺的NAND闪存,之后随着Intel、美光联合发布了全球首款20nm工艺NAND闪存之后,20nm NAND闪存开始遍地开花,Intel自335系列开始、美光自M500系列、三星自840系列之后开始全面使用20nm NAND闪存,直到今天的评测为止,20nm闪存依然是主角,这要比前面的25nm和34nm闪存都要长寿。

    NAND闪存本质上也是集成电路,也一样遵守电子电路的发展规律。从34nm到25nm再到现在的20nm,制程工艺的升级使得晶体管集成度更高,带来的好处就是NAND容量更大,成本更低。

    当然,20nm制程工艺带来的实际好处不是纸面这么简单,也不是没有负面效果。在之前的固态硬盘横评中,我们已经详细介绍过了NAND闪存的工作原理和特殊性,而制程升级也使得NAND每一次升级换代都参杂了优点与不足,具体来说如下:

    20nm优点:64Gb核心起步,128Gb核心成真

    前面说过,制程工艺升级最直接的好处是晶体管密度更高,核心面积更小,而NAND容量更大,34nm工艺节点NAND核心(die)容量尚且不能达到 64Gb(8GB),需要2个核心才能实现这一目标,25nm工艺下倒是可以制造出64Gb的核心,但是核心面积高达167mm2,20nm下核心面积则会缩小到118mm2,面积缩小了30%,产量提升了40%,这对厂商来说大大降低了生产成本。


    20nm工艺使得NAND核心面积缩小,同样面积下可制造容量更大的闪存

    不只是64Gb核心更容易了,20nm工艺导致的核心面积缩减也让128Gb核心成为现实,这是制造超大容量固态硬盘的前提,目前三星、美光等公司的1TB容量的SSD都使用了128Gb核心。

    不过在我们为技术感到欣喜的同时也不能忽视制程升级带来的负面影响,这一切还要“归功于”NAND特殊的工作原理——制程越先进,半导体之间的间隔就越小,栅极氧化层就越薄,P/E循环寿命就越短,擦除需要的时间也越长,性能也会降低,而距离缩短导致晶体管相互之间的干扰也越来越严重,这使得制程先进的NAND存在性能及可靠性上的双重问题。

    当然,20nm工艺带来的优点是巨大的,缺陷则是可以解决的。对于错误及干扰,也可以通过更先进的ECC纠错、容量更大的页面文件提升错误修正,还有WL磨损平衡算法、压缩数据以降低WAF写入放大、提升OP空间比例率等等手段可用。

    对于性能提升,厂商可以开发更好的GC垃圾回收算法即时恢复空盘性能。此外,这还可以通过配置性能更快、可靠性最高的SLC闪存作缓存来提升性能,三星的Turbo Write及闪迪的nCache都是这种技术的代表。

    综合各方面的改进之后,20nm NAND闪存的性能和可靠性依然能维持在比较高的水准,至少不会比25nm工艺差,换成我们最常见的P/E循环次数来看,25nm工艺的NAND通常是3000次,20nm NAND初期不足1000次,但是后期也一样提升到了3000次P/E循环。

    20nm不是终点,15/16nm闪存已经来了

    虽然20nm还没有显露疲态,但是20nm工艺显然不可能是NAND发展的终点。今年以来,东芝与闪迪已经展示过了15nm NAND,美光下一代NAND工艺进展更快,前不久的MX100系列固态硬盘上已经使用了16nm MLC闪存,是15/16nm NAND工艺中量产最早、商业化进度最快的。


    东芝的15nm NAND晶圆

    目前16nm工艺下的NAND闪存也是64Gb(8GB容量)核心的,美光并没有披露其16nm工艺NAND的详情,不过同行Anandtech网站之前以东芝的15nm NAND晶圆为例估算了下新工艺的晶体管密度和核心面积:


    Anandtch网站估算的东芝15nm 128Gb闪存的核心面积

    他们估算出来的东芝15nm 128Gb闪存的核心面积只有139mm2,同规格NAND中只比三星的V-NAND 3D闪存略高,比东芝目前的19nm工艺64Gb的113mm2核心面积也只高出23%,而容量却提升1倍。

    美光的16nm 128Gb核心闪存详情未知,但是此前他们宣称这是世界上核心面积最小的128Gb核心闪存,看起来不会比东芝的15nm工艺差。

    这次的SSD横评中,美光16nm工艺闪存的MX100也有参加,这也是目前唯一的下一代工艺闪存的SSD,但是很快它就不会如此孤独了,年底的时候我们就会看到更多使用15/16nm工艺闪存的硬盘了。

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    • 游客  2016-03-04 17:45

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    • 游客  2015-08-22 07:20

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