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NAND技术未来两个发展方向

  由于企业存储对可靠性、延迟、容量、成本等有了更高的要求,闪存的表现成为企业正在关注的新选择。然而,闪存的进一步发展遇到了可靠性和容量等发展瓶颈,这使闪存在企业数据中心的生命周期受到挑战。但存储科技正在从两个方向通过新的思路突破这些瓶颈,如在不在盲目追求制程缩小的情况下提高存储容量,或是发展存储单元堆叠的3D NAND。
 
  企业级TLC NAND的落地
 
  一直以来,NAND的发展在遵循着摩尔定律,NAND的支撑不断在缩小。从2013年,NAND纳米制程技术由2Y nm全面转进1X nm等级,并于去年全面普及了1X nm,正在朝着10nm以内的目标迈进。制程不断缩小的好处显而易见,、在同样的芯片面积上存储单元的密度增加一倍,就相当于每个存储单元成本下降50%。
 
  从制造工艺技术上来说,制程的缩小对于每一家厂商都是不小的挑战。需要生产更小制程的NAND产品,就需要投入新的技术,如辅助的两次图形曝光技术、极远紫外光刻(EUV)技术。但从新技术的投入到合格产品的量产之间要经历复杂的过程,工艺周期较长。为此,NAND厂商们的产品换代都是循序渐渐地。例如,三星从19nm为基础逐步过渡到16nm技术,东芝闪迪先提高19×24nm制程技术后才转进19×19nm制程技术。
 
  然而,当制造工艺技术需要向更小的制程发展时,存储厂商们的更大的挑战发生了转移。制程的缩小意味着同样容量的存储单元需要占用更少的面积,各个存储单元之间受温度、电子、信号等抗干扰性要求就要增强。尤其是从单一存储单元仅有一位(bit)的SLC NAND发展到单一存储单元仅有三位TLC NAND时,在更小的面积里,存储单元之间的干扰问题变得更加严重。除此之外,存储控制器对 TLC的状态检测也变得更加不容易。TLC芯片虽然储存容量变大,成本低廉许多,但因为如上各种原因在寿命、效能等方面大打折扣。所以,当前企业级NAND较少进入使用TLC颗粒阶段。
 
  不过,TLC NAND发展是大势所趋,三星、英特尔等均以表示会在未来两年将企业级TLC NAND落地。
 
  3D NAND上的角力
 
  在力图将企业级TLC NAND落地的同时,厂商们也在寻求新的技术突破来破解企业闪存发展瓶颈,延长闪存生命周期。这个方向就是3D NAND技术。传统的NAND技术是2D的平面技术,而3D NAND技术是将存储单元的堆叠技术
 
  在现有存储厂商中实现3D NAND技术的厂家并不多,主要以三星、英特尔美光、东芝闪迪为主要阵营。其中三星在3D NAND技术上的发展较为领先。去年,三星已经有了自己的3D NAND第二代技术,并在今年初签下了谷歌数据中心大单。而最近,英特尔携手美光、东芝联合闪迪,相继发布了3D NAND制程技术的最新进度。预计,东芝闪迪的3D NAND将会在2016年大批量生产,英特尔美光的最新3D NAND会在今年第四季度全面投产,到时企业数据中心就会有更多选择。
 
  3D NAND技术采用不同于传统NAND闪存的排列方式。以三星为例,三星通过改进型的Charge Trap Flash 技术,在一个3D的空间内垂直互连各个层面的存储单元,使得在同样的平面内获得更多的存储空间。从平面到立体,并不是个简单的存储芯片堆积过程,而是在同一芯片内堆积存储单元。所以,3D NAND制造采用了更大制程的闪存颗粒,如48nm、28nm等。
 
  2D闪存达到一定密度后,电荷存储能力会大大下降,相邻闪存单元的干扰也会非常严重,无法进一步提升,为此传统的闪存编程分为三个阶段:器件插入印刷电路板(PCB) 之前的预编程、闪存器件安装到PCB上之后对其进行编程、使用PCB上的JTAG兼容器件进行编程。这个过程相当复杂,但是为更精确地控制电荷电量只好如此。3D V-NAND的制造优势之一就是没有传统2D闪存这些问题,无需进行多阶段控制,如三星通过HSP技术将多阶段编程过程整合为一个,闪存编程时间大为减少。
 
  相对于使用TLC颗粒,企业级闪存采用3D结构更容易实现闪存寿命的延长。因此,在企业级闪存市场,厂商们在3D NAND技术上会比TLC NAND更先发力。如去年年初三星在研发企业级闪存TLC NADN时,已经开始投资3D NAND的量产计划。但是可以预见,3D NAND技术与企业级TLC闪存在更小的制程上终将会实现融合。
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