思想领导力

2015年12月11日
3D NAND如何延续字节存储量的扩增,拓展更多应用
3D NAND将提供更高的密度,更好的可靠性以及更低的功耗量,并定位为支持需要这些特性之现有和新的应用。

撰写人: Avi Klein

因为2D NAND的工艺微縮能力已趋近它的极限,NAND产业界致力于3D的研发已行之多年,期望能藉由提升所有芯片面积之比特(bit)密度及GB容量让快闪记忆体产业能够持续照摩尔定律趋势发展(參照圖1)。除密度提升之外,3D NAND 被期待比2D有更高的性能、更好的可靠性以及更低的功耗。依照其已被验证之能力显示,3D对于现有的应用和新的应用都能有所帮助。本文章论述有关2D NAND 和3D NAND之间的差异并说明各种选择3D较为理想的应用与实际案例。 (注意2D NAND是一项本身拥有其基本特质属性的成熟技术,并将与3D NAND共同在可预见的未来里的支持各种应用是至关重要的。)

圖1:3D NAND延续摩尔定律趋势(資料來源: SanDisk, 2015快闪记忆体高峰会簡報資料 2015)

2D 平面式NAND的各种限制

成像的挑战

成像是一种用光照从掩膜板来转移几何图案到光致抗蚀剂,最终在芯片上建立电路图案的光刻工艺。目前的光刻工具生成之光波长无法产生出需求的更高精确度之几何图形,因此使用的成像工序須要重复且非常昂贵。例如,一个 15纳米儲存单元(cell)的成像工艺就会需要四倍,而增加成本以及复杂性。有效的波长較短之光设备尚未能应用于大批量生产;因此,小于15-纳米级别工序的成本以及可靠性就成为有难度的挑战。3D NAND被设计成可用来提升成本效益的原因就在于它能够选择欲指定之层数(layer),这部分将在后续文章说明。

儲存单元間干扰

持续縮小纳米工艺的技术挑战导致在儲存单元中的电荷影响其相邻儲存单元, 造成儲存单元間干扰(即所謂:邻近效应) ,这可能会导致错误和数据损坏。当儲存单元低于15纳米以下,干扰发生的确率升高,而降低儲存单元的可靠性。

3D NAND 存儲技术

3D NAND 技术以垂直的 NAND 串结构在各儲存单元上方叠加层面来实现提高密度,此法优于在同一平面上压缩儲存单元。如此一来,能为更小的覆盖范围(footprint)获取更高的比特密度,而光刻成像的限制亦获得解除。

以增加层面來提高容量

在不久的未來,3D将由被穿过一个圆柱体管道的垂直NAND串所联接48层面之储存单元而构成(參照圖2)。再进一步开发,可能可以在短短几年之内超越100 层面,造就容量和密度方面戏剧性的进步。此结构简化了昂贵且须要重复的成像工序,但也因垂直结构產生了其它新的挑战。

圖2:增加高度缩小面积 (資料來源: SanDisk, 2015快闪记忆体高峰会簡報資料

电荷撷取材料

SanDisk和其他几个闪存制造商使用电荷撷取层 (CTL) 而不是在 2D NAND 中使用的导电浮动栅(FG)。 CTL是一个非导电层,作为绝缘体,和其他记忆体储存单元的特性相同,旨在减少储存单元对储存单元的干扰,降低错误的数量和提升更高的可靠性。CTL记忆体储存单元的概念图如图3所示。

电荷撷取层的非导电属性还能够简化复杂的成像工序生产流程。

圖3: SanDisk的记忆体储存单元 (資料來源: SanDisk, 2015快闪记忆体高峰会簡報資料 2015)

较高的耐久性來自于较低的儲存单元間干扰 (邻近效应)

NAND快闪记忆体芯片之编程/消去的周期数 (即所謂:耐久性) 是受存储在记忆体储存单元中的电荷所产生的电场(electrical field)的影响。较高的电场会产生干扰与其相邻的各储存单元,因此而导致了芯片耐久性之降低。3D NAND的电荷撷取材料,随着设计限制被放宽舒缓(较大的储存单元临界尺寸),存储更多电子在较大的储存单元以及被优化之环形储存单元设计,皆提高了编程/消去的周期並且在更长久的使用期间內让更多的万亿字节写入(TBW)。

通过简单的程序算法使性能更快

影响NAND快闪记忆体编程的速度是受写入数据时程序算法之复杂性。2D平面型NAND快闪记忆体需要非常精确而多套复杂的程序算法来防止因储存单元間干扰所发生之错误。這些复杂的程序算法需要耗费更多的时间来写入数据,其结果就是使速度更慢。因为3D NAND技术对储存单元間干扰敏感度低,它可以更快地写入数据,从而更好的性能表现。

电量消耗的减少來自于更简单的编程操作

为了抵消储存单元間干扰的影响使其失效,传统的2D平面型NAND快闪记忆体必须执行大量的编程步骤,从而造成了电量消耗的增加。而因为3D NAND技术减少了储存单元間干扰的影响, 所以编程步骤的数量已大大减少,因此,随着其他諸多改良进步,功率消耗亦将大幅降低。

市场和应用

在性能、功耗量、可靠性和各种应用的存储容量需求的检验中都显示出3D NAND可以成为更好的选择,尤其是在影像/可移动存储设备,企业级和客户端 固态硬盘,以及在移动设备中的嵌入式的存储。

在影像应用方面,使用于监控摄像机 (连续录像) 的快闪记忆体需要有大存储容量并具备高耐久性以储存海量数据。例如,一个位于监视塔顶部之闪存设备的故障就可能会导致使人困扰不便的中断以及一次昂贵的维修作業;因此,这类的系统所提供的高可靠性極其重要。而時下的各种专业运动型摄像机是另一个需要高性能和大容量的例子。

固态硬盘(SSDs)要求高存储容量、高性能和高耐久性,和更高要求的用例,3D NAND预期将会是更好的解决方案。

移动设备如智能手机、平板电脑和平板手机都需要高性能、外形小巧、低功耗量和高耐久性,皆因由强化用户体验的需求所驱使。这是因为更多的、和更高的分辨率,在视频/图片;高处理核心的数目和新版本的操作系统;由RAM内存转换为flash闪存;高顺序的读取速度以启动程序装入;较高序列写入速度为侧面下载和更多其他应用。平板电脑和平板手机尤其需要不断增加的存储容量,但須在成本非常低的前提之下。安卓系统的最新版本,Marshmallow(棉花糖),为外部存储卡创建了存储执行应用程序的机会,为高性能内存卡创建附加驱动程序。

连接的家用系统要求较高的存储容量和高耐久性来支持某些功能,如时移缓冲区(TSB)、视频缓存,内容预取、数据存储和应用程序。这些系统使用寿命的设计被设定在需延长为五到七年,因此需要高可靠性。 

在汽车产业中,快闪记忆体在娱乐、连网汽车、自动驾驶和辅助驾驶方面扮演日益重要的角色。海量的数据不断由这些子系统的多个传感器收集并处理,这些数据的存储在宽温度范围條件下需要高可靠性,综合在一起时,也需要使用高容量。

如UFS和PCIe介面支持更高速度的数据传输以及平行处理,可以更好的取得改良快闪记忆体功能后的优势。这些功能还可以启用新的应用,如分层存储的备用系统和企业的大型分类存储。

总结

3D NAND被预期能跨越数世代持续的降低成本以及其改进后的功能使它随着时间的推移,对于更严苛的要求而言成为优先选择。由于它的高比特密度,在高存储容量有需求的情况下3D NAND相较于2D的成本优势将得到更好的证明。

与2D NAND的共存是可预见的,因为2D依然涵盖了广泛的应用以及全球晶圆厂产出的重要部分,2D的岁月仍可延续数年。

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Avi Klein是位資深主要设备技术人员,管理SanDisk在以色列的设备團隊。於此職位,Klein执行快闪存储在移动应用市场之具体需求特性化和限定条件的研究实验。Klein在半导体产业领域拥有超过三十年以上经验。他的电子邮件信箱为Avi.Klein@SanDisk.com

在以色列的设备團隊。於此職位,Klein执行快闪存储在移动应用市场之具体需求特性化和限定条件的研究实验。Klein在半导体产业领域拥有超过三十年以上经验。他的电子邮件信箱为