三星這兩年已經(jīng)是全球最大的NAND供應(yīng)商，不僅生產(chǎn)能力強(qiáng)大，技術(shù)實(shí)力也是頂級(jí)的。本月初宣布量產(chǎn)世界首款3D垂直閃存V-NAND，月中就有相關(guān)的企業(yè)級(jí)V-NAND閃存發(fā)布了。海力士、SanDisk、美光、東芝等其他NAND廠商也有各自的垂直閃存計(jì)劃，但是量產(chǎn)時(shí)間三星已經(jīng)走在了其他公司前列，快人一步就是競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

三星的V-NAND每個(gè)die容量都有128Gb(16GB)，通過(guò)3D堆疊技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)最多24層die堆疊，這意味著24層堆疊的總?cè)萘繉⑦_(dá)到384GB。此外，三星還宣布V-NAND閃存的寫(xiě)入速度及可靠性都有2倍以上的提高。

三星量產(chǎn)V-NAND垂直閃存意味著什么?他們是如何做到的?對(duì)整個(gè)NAND產(chǎn)業(yè)有什么樣的影響?Anandtech網(wǎng)站對(duì)三星量產(chǎn)V-NAND閃存做了一番分析。

傳統(tǒng)NAND的困境：容量要想提高，制程就越先進(jìn)，可靠性和性能越低

自從2008年Intel的X25-M SSD進(jìn)入市場(chǎng)之后，SSD的價(jià)格已經(jīng)大幅下降了，當(dāng)時(shí)80GB的SSD都要600美元，現(xiàn)在同樣的價(jià)錢(qián)可以買(mǎi)三星或者美光的1TB SSD了。摩爾定律指導(dǎo)著電子產(chǎn)品的發(fā)展，晶體管越來(lái)越小，NAND密度越來(lái)越高，價(jià)格越來(lái)越便宜。

但是伴隨晶體管越來(lái)越小的后果是NAND的可靠性及性能越來(lái)越低。就以IMFT過(guò)去幾代的NAND產(chǎn)品的P/E次數(shù)及編程時(shí)間為例吧，看下圖所示。

不同工藝下的閃存擦寫(xiě)次數(shù)及編程時(shí)間

50nm時(shí)代，P/E次數(shù)是10000次，編程時(shí)間只有900us，隨著制程工藝的前進(jìn)，P/E次數(shù)從1000次降到5000次再降到3000次，這還只是MLC的變化，要是TLC，P/E次數(shù)已經(jīng)降低到了1000次了。

造成這個(gè)現(xiàn)象的根本原因是基本的物理特性。2bit MLC每cell單元儲(chǔ)存2bit數(shù)據(jù)只可只需要一兩打電子，3bit MLC(也就是TLC)的每個(gè)cell單元儲(chǔ)存，隨著NAND的縮小情況變得不同了，如果到了14/15/16nm階段，情況會(huì)變得更加困難。

三星做了很萌的解釋

測(cè)量存儲(chǔ)單元中這些極微小的變化很困難，特別是當(dāng)NAND cell單元越來(lái)越小、靠得越來(lái)越近的情況下。20nm工藝之后，cell單元之間的干擾現(xiàn)象更加嚴(yán)重，而在50nm工藝階段，這些問(wèn)題可以借助主控及優(yōu)質(zhì)的NAND緩解。現(xiàn)在我們已經(jīng)看到了，SSD主控需要做更多的ECC及DSP類(lèi)似的工作才能確保驅(qū)動(dòng)器中的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地讀出/寫(xiě)入。

通過(guò)更先進(jìn)的制程工藝制造傳統(tǒng)的NAND之路很快就要走到頭了，據(jù)說(shuō)目前的工藝只能再持續(xù)一兩代，之后再繼續(xù)用這樣的方式縮小cell單元就不可行了。

那么NAND未來(lái)的出路在哪?答案就是V-NAND，通過(guò)電荷擷取閃存(charge trap flash)技術(shù)制造的3D閃存。

三星V-NAND：不再縮小cell單元，堆疊更多層數(shù)

三星的V-NAND說(shuō)起來(lái)就是不再追求縮小cell單元，而是通過(guò)3D堆疊技術(shù)封裝更多cell單元，這樣也可以達(dá)到容量增多的目的。

V-NAND原理

這種變化其實(shí)沒(méi)有說(shuō)起來(lái)這么簡(jiǎn)單。SSD中使用的是浮柵極MOSFET(Floating gate MOSFET)，電子儲(chǔ)存在柵極中，它相當(dāng)于一個(gè)導(dǎo)體。這種晶體管的缺點(diǎn)就是寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，柵極與溝道之間會(huì)形成一次短路，這會(huì)消耗柵極中的電荷，也就是說(shuō)每次寫(xiě)入數(shù)據(jù)都要消耗一次柵極壽命，一旦柵極中的電荷沒(méi)了，cell單元就相當(dāng)于掛了，不能再存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

三星的V-NAND閃存就放棄了傳統(tǒng)的浮柵極MOSFET，改用自家的電荷擷取閃存(charge trap flash，簡(jiǎn)稱CTF)設(shè)計(jì)。每個(gè)cell單元看起來(lái)更小了，但是里面的電荷是儲(chǔ)存在一個(gè)絕緣層而非之前的導(dǎo)體上的，理論上是沒(méi)有消耗的。這種看起來(lái)更小的電荷有很多優(yōu)點(diǎn)，比如更高的可靠性、更小的體積，不過(guò)這些還只是其中的一部分。

使用CTF結(jié)構(gòu)的V-NAND閃存被認(rèn)為是一種非平面設(shè)計(jì)，絕緣體環(huán)繞溝道(channle)，控制柵極又環(huán)繞著絕緣體層。這種3D結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提升了儲(chǔ)存電荷的的物理區(qū)域，提高了性能和可靠性。

可靠性和性能提升是V-NAND閃存的一個(gè)方面，還有就是3D堆疊。由于三星已經(jīng)可以垂直方向擴(kuò)展NAND密度，那就沒(méi)有繼續(xù)縮小晶體管的壓力了，所以三星可以使用相對(duì)更舊的工藝來(lái)生產(chǎn)V-NAND閃存，現(xiàn)在使用的是30nm級(jí)別的，介于30-39nm之間。

使用舊工藝的好處就是P/E擦寫(xiě)次數(shù)大幅提升，目前的19/20nm工藝MLC閃存的擦寫(xiě)次數(shù)普遍是3000次，三星的V-NAND閃存可達(dá)35000次，這也是三星說(shuō)可靠性提升2-10倍的由來(lái)。

使用舊工藝甚至也沒(méi)妨礙三星提高NAND密度，三星之前公布的V-NAND是128Gb核心的，目前主流19/20nm工藝的核心容量是64Gb，如果用傳統(tǒng)工藝制造128Gb核心的NAND，那么工藝需要15nm。

更大容量的NAND有著更少的干擾，編程時(shí)間會(huì)更短，這意味著性能會(huì)提高。此外，更大容量的NAND的讀寫(xiě)不需要那么多次的重試，因此總功耗也會(huì)更低。

三星在企業(yè)級(jí)市場(chǎng)上走出了V-NAND閃存第一步，不過(guò)目前使用的NAND還是128Gb的，因此容量上并沒(méi)有什么驚人的，但是作者預(yù)測(cè)很快就會(huì)有全面的改善，只不過(guò)現(xiàn)在談?wù)撓嚓P(guān)產(chǎn)品的售價(jià)和發(fā)售有點(diǎn)過(guò)早了。

V-NAND：三星的未來(lái)

V-NAND閃存是三星的未來(lái)，我們可以看到V-NAND閃存出現(xiàn)在企業(yè)級(jí)、客戶端級(jí)甚至移動(dòng)市場(chǎng)(移動(dòng)電話及平板)。盡管距離三星全面轉(zhuǎn)向V-NAND閃存還有一段時(shí)間，但是明年就可以看到三星在多個(gè)市場(chǎng)領(lǐng)域轉(zhuǎn)向V-NAND。

目前的128Gb核心NAND已經(jīng)很好，不過(guò)這肯定不是終點(diǎn)，三星預(yù)計(jì)在2017年實(shí)現(xiàn)每核心1Tb，這都要?dú)w功于3D NAND。此外，理論上三星還可以使用更先進(jìn)的制程工藝來(lái)提高儲(chǔ)存密度，只是這樣做也會(huì)面臨傳統(tǒng)二維NAND結(jié)構(gòu)需要面對(duì)的難題。另外，目前的V-NAND還是2bit MLC，有需要的話三星還可以選擇使用3bit MLC(TLC)來(lái)進(jìn)一步提高儲(chǔ)存密度。

其他的NAND廠商未來(lái)如何?作者認(rèn)為那些不會(huì)轉(zhuǎn)向CTF或者3D NAND的廠商可能會(huì)考慮其他的技術(shù)，比如resistive RAM(電阻式隨機(jī)儲(chǔ)存器)，潛在的性能提升甚至?xí)?，也可以借?D堆疊實(shí)現(xiàn)更高的儲(chǔ)存密度。

最終對(duì)消費(fèi)者利好的就是，我們未來(lái)可以看到SSD在儲(chǔ)存密度、性能及可靠性上的改進(jìn)。