思想領導力

2015年12月10日
3D NAND如何延續位元儲存量的擴增,拓展更多應用
3D NAND將提供更高的密度,更好的可靠性以及更低的功耗量,並定位為支援需要這些特性之現有和新的應用。

撰寫人: Avi Klein

因為2D NAND的製程微縮能力已趨近它的極限,NAND產業界致力於3D的研發已行之多年,期望能藉由提升所有晶片面積之位元(bit)密度及GB容量讓快閃記憶體產業能夠持續照摩爾定律趨勢發展(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。依照其已被驗證之能力顯示,3D對於現有的應用和新的應用都能有所幫助。本文章論述有關2D NAND 和3D NAND之間的差異並說明各種選擇3D較為理想的應用與實際案例。 (注意2D NAND是一項本身擁有其基本特質屬性的成熟技術,並將與3D NAND共同在可預見的未來裡的支援各種應用是至關重要的。)

圖1:3D NAND延續摩爾定律趨勢(資料來源: SanDisk, 2015快閃記憶體高峰會 簡報資料)

2D 平面式NAND的各種限制

成像的挑戰

成像是一種使用光從光罩來轉移幾何圖案到光阻材料,最終在晶片上建立電路圖案的光微影技術。目前的光微影技術生成之光波長無法產生出需求的更高精確度之幾何圖形,因此使用的成像製程須要重複且非常昂貴。例如, 一個 15奈米儲存格(cell)的成像就會需要四倍的程序,因而增加成本以及複雜性。有效的波長較短之光設備尚未能應用於大批量生產;因此, 小於15-奈米級別製程的成本以及可靠性就成為困難的挑戰。3D NAND被設計成可用來提升成本效益的原因就在於它能夠選擇欲指定之層數,這部分將在後續文章說明。

半導體元件間干擾

持續縮小奈米工藝的技術挑戰導致在半導體元件中的電荷影響其相鄰元件, 造成元件間干擾(即所謂:鄰近效應),這可能會導致錯誤和資料損壞。當元件低於15奈米以下,干擾發生的機率升高,而降低元件的可靠性。

3D NAND記憶體技術

3D NAND技術以垂直的NAND串結構在各元件上方疊加層數來實現提高密度,此法優於在同一平面上壓縮儲存格。如此一來,能為更小的覆蓋範圍(footprint)獲取更高的位元密度,而光微影技術的限制亦獲得解除。

以增加層數來提高容量

在不久的未來,3D將由被穿過一個圓柱體管道的垂直NAND串所聯接48層之記憶體單元而構成(參照圖2)。再進一步開發,可能可以在短短幾年之內超越100層,造就容量和密度方面快速的進步。此結構簡化了昂貴且須要重複的成像製程,但也因垂直結構產生了其它新的挑戰。

圖2:增加高度縮小面積 (資料來源: SanDisk, 2015快閃記憶體高峰會 簡報資料 )

電荷擷取材料

SanDisk和其他幾個快閃記憶體製造商使用電荷擷取層 (CTL) 而不是在 2D NAND 中使用的導電浮動閘(FG)。 CTL是一個非導電層,作為絕緣體,和其他記憶體儲存格的特性相同,用意在減少元件和元件之間的干擾,降低錯誤的數量和提升更高的可靠性。CTL記憶體儲存格的概念圖如圖3所示。

電荷擷取層的非導電屬性還能夠簡化複雜的成像製程生產流程。

圖3: SanDisk的記憶體元件 (資料來源: SanDisk, 2015快閃記憶體高峰會 簡報資料 )

較高的耐久性來自於較低的元件間干擾 (鄰近效應)

快閃記憶體晶片之寫入/抹除的週期數 (即所謂:耐久性) 是受儲存在記憶體單元中的電荷所產生的電場(electrical field)的影響。較高的電場會產生干擾與其相鄰的各元件,因此而導致了晶片耐久性之降低。3D NAND的電荷擷取材料儲存更多電子在較大的元件以及被優化之環形儲存格設計,減少了設計上的限制(較大的元件臨界尺寸),並且提高了寫入/抹除的週期,在更長久的使用期間內讓更多的兆位元組寫入(TBW)。

通過簡單的程式演算法使性能更快

影響快閃記憶體編程的速度是受寫入資料時程式演算法之複雜性。2D平面型NAND快閃記憶體需要非常精確而多套複雜的程式演算法來防止因元件間干擾所發生之錯誤。這些複雜的程式演算法需要耗費更多的時間來寫入資料,其結果就是使速度更慢 。因為3D NAND 技術對元件間干擾敏感度低,它可以更快地寫入資料,從而得到更好的性能表現。

電量消耗的減少來自於更簡單的編程操作

為了抵消元件間干擾的影響使其失效,傳統的2D平面型NAND快閃記憶體必須執行大量的編程步驟,從而造成了電量消耗的增加。而因為3D NAND 技術減少了元件間干擾的影響,所以編程步驟的數量已大大減少,因此,隨著其他諸多改良進步,功率消耗亦將大幅降低。

市場和應用

在性能、功耗量、可靠性和各種應用的儲存容量需求的檢驗中都顯示出3D NAND可以成為更好的選擇,尤其是在影像/卸除式記憶裝置,企業級和用戶端固態硬碟,以及在行動裝置中的內建式記憶體。

在影像應用方面,使用於監控攝影機 (連續錄影) 的快閃記憶體需要有大儲存容量並具備高耐久性以儲存海量資料。例如,一個位於監視塔頂端之快閃記憶體裝置的故障就可能會導致使人困擾不便的中斷以及一次昂貴的維修作業;因此,這類的系統所提供的高可靠性極其重要。而時下的各種專業運動型攝影機是另一個需要高性能和大容量的例子。

固態硬碟(SSDs)要求高儲存容量、高性能和高耐久性,和更高要求的用例,3D NAND預期將會是更好的解決方案。

行動裝置如智慧手機、平板電腦和平板手機都需要高性能、外形小巧、低功耗量和高耐久性,皆因由強化用戶體驗的需求所驅使。這是因為更多的、和更高的解析度,在影片/圖片;高處理核心的數量和新版本的作業系統;由RAM記憶體轉換為flash快閃記憶;高順序的讀取速度以啟動程式安裝;較高序列寫入速度為側面下載和更多其他應用。平板電腦和平板手機尤其需要不斷增加的儲存容量,但須在成本非常低的前提之下。安卓系統的最新版本,Marshmallow(棉花糖),為外部記憶卡創建了儲存執行應用程式的機會,為高性能記憶卡創建附加驅動程式。

連接的家用系統要求較高的儲存容量和高耐久性來支援某些功能,如時移緩衝區(TSB)、影片緩存,內容預取、 資料儲存和應用程式。這些系統使用壽命的設計被設定在需延長為五到七年,因此需要高可靠性。

在汽車產業中,快閃記憶體在娛樂、連網汽車、 自動駕駛和輔助駕駛方面扮演日益重要的角色。海量的資料不斷由這些子系統的多個感測器收集並處理,這些資料的儲存在寬溫度範圍條件下需要高可靠性,綜合在一起時,也需要使用高容量。

如UFS和PCIe介面支援更高速度的資料傳輸以及平行處理,可以更好的取得改良快閃記憶體功能後的優勢。這些功能還可以啟用新的應用,如分層存儲的備用系統和企業的大型分類儲存。

結論

3D NAND被預期能跨越數世代持續的降低成本以及其改進後的功能使它隨著時間的推移,對於更嚴苛的要求而言成為優先選擇。由於它的高位元密度,在高儲存容量有需求的情況下3D NAND相較於2D的成本優勢將得到更好的證明。

與2D NAND的共存是可預見的,因為2D依然涵蓋了廣泛的應用以及全球晶圓廠產出的重要部分,2D的歲月仍可延續數年。

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Avi Klein是位元資深主要裝置技術人員,管理SanDisk在以色列的裝置團隊。於此職位,Klein執行快閃記憶體在行動應用市場之具體需求特性化和限定條件的研究實驗。Klein在半導體產業領域擁有超過三十年以上經驗。他的電子郵件信箱為 Avi.Klein@SanDisk.com.

本篇文章所發表言論僅代表作者的意見,並非SanDisk的立場。