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    4.4 3D闪存:平面不行了,向3D进发

    制程升级及TLC闪存的实质都是为了提升NAND储存容量、降低成本,但是这两种技术的副作用也是很大的——性能降低,可靠性下降,而且在制程低于15/16nm之后,由于氧化层越来越薄,可供使用的电子也越来越少,实际上将会这种方式越来越难,最终变得不可行,人们需要另寻它法。


    随着制程以及TLC、QLC的升级,NAND的电子数量也会越来越少并最终不可用

    这样的情况下,研究人员就从普通的2D闪存开始向3D堆栈闪存前进,原理说起来很简单——立体堆叠可以多合一,形象点说就是原来的2D内存是平房,增加面积就只能扩大宅基地,地产老板不喜欢,而现在的3D闪存则是摩天大楼,地面还是那么大,但是楼房多了,地产老板、房客都喜欢了,还会说高层光线好,空气好什么的。

    3D堆栈技术相对来说还是新技术,问世时间还不算长,不过我们日常生活中实际上都已经用上这个技术了,只是大家还没觉察到而已——手机摄像头传感器,不论是FSI前照式还是BSI背照式,多数都使用了TSV(硅通孔)技术的,这已经是3D堆栈技术的一种了。


    东芝、三星。海力士及美光各自研发过不同的3D闪存方案

    当然,3D封装技术分类太多了,就算是集中到我们今天讨论的3D NAND上,不同厂商也有过不同的技术方案。在全球四大NAND厂商中,东芝/闪迪系主要研究p-BICS(Bit-Cost Scalable),Hynxi继续搞浮栅极为基础的3D FG方案,美光/Intel系主要搞3D Flash,三星高过水平封装的TCAT(Terabit Cell Array Transistor),但去年首先量产的则是垂直封装的V-NAND。


    三星的V-NAND闪存已经发展了两代,封装层数提升了1/3,存储密度提升了40%

    作为全球NAND产业的老大,三星在NAND上的实力与投入也是最大的,四大豪门的3D闪存中也只有三星正式量产并上市了,而且已经发展出了两代,去年的是第一代,最多24层堆叠,今年850 Pro使用的第二代V-NAND了,堆叠层数从24提升到32层,存储密度提升了40%。

    我们之前做过V-NAND闪存技术的解析:NAND新时代起点,三星V-NAND技术详解,这里简单来说下,SSD目前使用的NAND是浮栅极为基础的,但是随着制程工艺的升级,间隔越小的话浮栅极的电子数量会减少,而且控制更复杂,16nm之后提升不易,而且在可靠性及性能上副作用越来越明显。

    三星的V-NAND放弃了传统的浮栅极MOSFET,改用自家的电荷撷取闪存(charge trap flash,简称CTF)设计。每个cell单元看起来更小了,但是里面的电荷是储存在一个绝缘层而非之前的导体上的,理论上是没有消耗的。这种看起来更小的电荷有很多优点,比如更高的可靠性、更小的体积,不过这些还只是其中的一部分,V-NAND因为消耗少而具备了很强的P/E擦写寿命,第一代V-NAND号称35000次P/E,几乎达到了SLC闪存的水平,是MLC闪存的2-10倍。

    这是之前的数据了,在使用第二代V-NAND闪存的850 Pro硬盘上,Anandtech网站测试出的P/E次数是6000次,虽然还没有达到三星所说的10倍可靠性,不过相比20nm工艺MLC闪存平均3000次的P/E寿命已经好太多了。

    目前各公司3D闪存的进展


    四大NAND公司的3D闪存进度

    3D闪存优点多多,厂商显然不可能放过这一波浪潮,目前三星的V-NAND进度是最快的,已经有850 Pro以及即将发布的850 EVO(TLC的V-NAND闪存)这样的产品,而且在国内西安投资70亿美元新建NAND工厂,生产的就是这种V-NAND闪存,未来还会继续领跑。

    美光、东芝/闪迪及SK Hyix三家也不同程度地宣示要量产3D闪存,目前也是建厂、扩产的阶段,但是真正上市还早,这三家普遍是在15/16nm节点才开始量产3D闪存,最快今年底,产品上市则要等到明年了,预计未来两年才是他们的3D闪存爆发时间点。

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