NAND闪存的现状与未来

日期:2017-5-9作者:Jim O'Reilly 

闪存芯片   3D NAND   

【TechTarget中国原创】

NAND闪存在过去的一年中历经重大变革。闪存技术需要综合考虑许多方面,在生产工艺、数据完整性要求、最大写入次数等方面达成恰到好处的平衡。简单来讲,当我们刚刚踏入2016年时,原始闪存(称为2D NAND)的发展方式已经接近尽头,很难再通过精益化工艺增加单块芯片所支持的存储容量。

通过引入3D NAND的概念,现在的闪存单元可以堆叠在三维空间之中。在相对轻松的工艺要求下,将单块芯片的容量提升48倍,从而可以在大批量生产过程中降低多达4倍的成本。容量的增加与价格的下降比率基于这样的基础:3D NAND中每块芯片上各单元层的生产工艺仍与原先保持一致。

技术背后的复杂性

然而,对NAND闪存芯片制造商而言,事情远没有这么简单。首先要面对的是易失性的问题,保持这些单元层的纵向堆叠是颇具挑战性的。

例如:对48个单元层的堆栈而言,纵向堆叠所允许的公差仅仅只有1度;而更多层的情况只会更糟。这引起了对3D NAND整套理念的反思。

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TechTarget特约作者。Jim O'Reilly是一名存储和云计算咨询师。他曾担任Germane Systems公司工程部副总一职,为美国潜艇队创建了坚固耐用的服务器和存储器。他也曾在SGI、Rackable和Verar公司担任高级管理一职,创建Scalant和CDS公司并担任首席执行官一职,在PC Brand和Metalithic公司担任运营主管一职,在Memorex-Telex和NCR公司担任核心业务部主管,他所在领导的团队曾创建了第一个SCSI ASIC。如今Jim O'Reilly就职于史密森学会。

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NAND闪存在过去的一年中历经重大变革。闪存技术需要综合考虑许多方面,在生产工艺、数据完整性要求、最大写入次数等方面达成恰到好处的平衡。简单来讲,当我们刚刚踏入2016年时,原始闪存(称为2D NAND)的发展方式已经接近尽头,很难再通过精益化工艺增加单块芯片所支持的存储容量。

通过引入3D NAND的概念,现在的闪存单元可以堆叠在三维空间之中。在相对轻松的工艺要求下,将单块芯片的容量提升48倍,从而可以在大批量生产过程中降低多达4倍的成本。容量的增加与价格的下降比率基于这样的基础:3D NAND中每块芯片上各单元层的生产工艺仍与原先保持一致。

技术背后的复杂性

然而,对NAND闪存芯片制造商而言,事情远没有这么简单。首先要面对的是易失性的问题,保持这些单元层的纵向堆叠是颇具挑战性的。

例如:对48个单元层的堆栈而言,纵向堆叠所允许的公差仅仅只有1度;而更多层的情况只会更糟。这引起了对3D NAND整套理念的反思。

目前芯片制造商已经有办法在一块芯片上创建多达48或64层的堆叠块,他们将一个堆叠放置在另一堆叠的顶部,通过垂直互联访问联结各堆叠块,从而在整体上能够支持更多的纵向层。

借助上述两种方式,在过去几个月我们已经看到了64GB和1TB芯片的出现。1TB芯片看似能够支持进一步的堆叠,从而在未来12个月左右产生单芯片4TB,甚至8TB的存储容量。凭借这些技术,我们很有可能在2018年9月的闪存峰会上看到100TB 2.5英寸固态硬盘。

纵向堆叠问题与技术实现方式的改变对市场产生了重大影响。3D NAND的成熟将晚于计划时间,伴随着工厂转向全新的流程,造成了短期芯片在市场上的供应不足。

精准堆叠以外的问题

能否精准对齐并非是向3D NAND升级过程中所面对的唯一问题。在NAND闪存容量方面,三层单元(TLC)是相当具有吸引力的技术,其将每个单元的存储容量增加了3倍。

但是,NAND的状态随着使用时间会出现准静态特性,即每个单元可检测到的电压差范围变小,使得各单元之间的电压彼此接近,从而增加了误读率,这在TLC中尤其明显,与单层单元(SLC)所具有的两种状态相比,TLC会有8种不同的状态。

应对这项挑战涉及多项策略,包括随着时间进展进行阀值重置、扩展错误检测和校正代码,并根据阀值和时序调整添加非常复杂的重试过程,其中涉及大量科学(和数据)分析和经济可行的执行方案。这些领域的积极成果大幅度提升了芯片产量和其支持的写入次数。

即便如此,我们仍将看到一系列阶梯式SSD家族,结构相同的成员则以读写速度,写入次数和温度范围加以区隔。日常操作中,SSD的温度范围对写操作至关重要。

上述一系列的原因导致了市场上闪存芯片的减少,NAND芯片晶圆厂必须搁置产能以切换产线。短缺情况在2016年下半年凸显出来,固态磁盘的价格上涨了10%,并且状态仍在持续。与此同时,随着企业逐渐认识到硬盘技术已经过时,对SSD的需求急剧增加,使得问题更为复杂。

而三星公司Galaxy Note惨败、召回和试图更换则进一步加剧了矛盾,目前市场上至少存在1亿的芯片缺口。

曙光的来临

局面在2017年下半年将得以改善。64层堆叠芯片的技术问题似乎已得以解决。到年中,单堆芯片将开始陆续出货。动态RAM和NOR闪存晶圆厂将通过转向3D NAND技术获得到额外的闪存产能。到2017年年底,价格应该回落到危机前的水平,甚至更低;到2018年,我们或将能够看到SSD与HDD的价格持平。

更值得一提的是,这对HDD市场或许会有重大影响。随着2015至2016年市场需求的下降,硬盘产能大幅下滑,并且也很难夺回失去的市场。此外,大容量的HDD在主存储领域再难有用武之地,这款曾经以数据记录闻名的产品似乎已很难跟上时代的节奏——尤其在写操作上——完全不适合用作承载操作系统的驱动器,正从PC和许多服务器上渐渐淡出。

信息行业正期待着一个全新的未来,在2018年开始,30TB至100TB的大容量存储将驱使二级存储做出改变。

对于使用四层单元(QLC)NAND闪存取代即将普及的TLC,业内尚有些许争议。根据TLC物理介质和数据动态的研究投入,用同样的想法研发具备16种状态的QLC,似乎是合乎逻辑的后续方向,从而进一步降低成本、增加容量。

泛在化、极其快速的存储将深刻改变信息技术。服务器处理能力将得以增强,从而降低了服务器的销售,而拥有1000万甚至更高IOPS(已在闪存峰会上公布)的驱动器亦将彻底颠覆目前的超融合产品。