三星3D垂直NAND閃存量產(chǎn) SSD容量可輕松提升

韓國(guó)三星公司剛剛宣布旗下的最新一代采用3D垂直閃存(V-NAND)的固態(tài)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行量產(chǎn)。最新的3D垂直閃存與傳統(tǒng)的NAND存儲(chǔ)芯片相比，具有包括讀寫(xiě)速度快1倍、使用壽命多10倍及能耗減少50%等眾多優(yōu)勢(shì)。雖然目前3D芯片所能提供的存儲(chǔ)密度仍與傳統(tǒng)的2D芯片結(jié)構(gòu)相同，但是當(dāng)在2D結(jié)構(gòu)發(fā)展停滯時(shí)，完全可以依靠3D結(jié)構(gòu)就能提供更多數(shù)量級(jí)的額外存儲(chǔ)密度。

閃存技術(shù)可以說(shuō)是21世紀(jì)以來(lái)最偉大的奇跡故事之一。雖然早在1980年就已經(jīng)問(wèn)世，但是在十多年之后才被正式投放到市場(chǎng)中，當(dāng)時(shí)的閃存存儲(chǔ)密度只有 20MB?，F(xiàn)在經(jīng)過(guò)了20多年的發(fā)展，閃存技術(shù)已經(jīng)多次提升甚至超越了摩爾定律的限制，容量已經(jīng)達(dá)到了最初時(shí)的3萬(wàn)多倍。

最新的NAND閃存采用了10納米的的光刻工藝，并且開(kāi)始遇到一些物理上的麻煩。一個(gè)NAND閃存，就是一個(gè)浮柵晶體管(floating-gate transistor)，而一個(gè)絕緣柵層能夠存儲(chǔ)電荷很長(zhǎng)的時(shí)間。而存儲(chǔ)器的讀取，則是通過(guò)門(mén)控脈沖測(cè)量設(shè)備通道的導(dǎo)通性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如果沒(méi)有存儲(chǔ)電荷，存儲(chǔ)單元就會(huì)給出一個(gè)響應(yīng);而如果存儲(chǔ)了電荷，它就不會(huì)給出響應(yīng)，從而允許非破壞性地?cái)?shù)據(jù)讀取。但在制造較小尺寸的NAND閃存方面，至少面臨著兩種困難。首先，每個(gè)門(mén)只持有少數(shù)的電子，因此會(huì)導(dǎo)致其狀態(tài)很難被區(qū)分。其次，控制電極是如此之小(緊密)，以至于分布其上的存儲(chǔ)單元會(huì)受到影響，最終導(dǎo)致不可靠的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)。

而3D V-NAND閃存的幾何學(xué)就是，通過(guò)在垂直方向?qū)で罂臻g，來(lái)彌補(bǔ)這個(gè)問(wèn)題。第一個(gè)變化就是捕獲電荷陷阱的閃存幾何學(xué)，由AMD公司在2002年首創(chuàng)。在一個(gè)閃存單元的電荷陷阱內(nèi)，存儲(chǔ)的電荷并不在浮柵上，而是處于一個(gè)嵌入式的氮化硅薄膜上。這種薄膜具有更強(qiáng)的抗點(diǎn)缺陷能力。它也可以被做得很厚，存儲(chǔ)更多的電子，從而對(duì)少量的電子損失不那么敏感。

第二個(gè)變化，就是把一個(gè)平面的電荷陷阱單元，做成圓柱形(如上圖所示)。增長(zhǎng)的一大排V-NAND單元(本例中為1 vertical stack / 8cell)開(kāi)始形成一個(gè)交變堆棧，導(dǎo)電(摻雜)了多晶硅曾(紅色區(qū)域)和中空的二氧化硅層(藍(lán)色區(qū)域)。

下一步則是腐蝕或形成一個(gè)通過(guò)這些曾的圓柱形孔。在實(shí)踐中，一個(gè)128Gbit的24層V-NAND芯片，其存儲(chǔ)單元的形成需要29億個(gè)這樣的孔。然后沉積出一個(gè)二氧化硅的保形層，罩住這些孔的內(nèi)表面;隨之是一個(gè)類(lèi)似的氮化硅層，以及第二個(gè)二氧化硅層。氮化硅是電荷俘獲層，二氧化硅層則是門(mén)和隧道介質(zhì)。最后，孔的中心會(huì)被填滿導(dǎo)電的摻雜多晶硅，以形成存儲(chǔ)cell的通道。

三星公司現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)始為企業(yè)級(jí)用戶提供V-NAND固態(tài)硬盤(pán)的少部分產(chǎn)品，兩種容量分別為480GB及960GB，在寫(xiě)入速度上已經(jīng)比該公司早期的 SM843T型980GB固態(tài)硬盤(pán)提升了20%，而另一方面在功耗上則減少了40%。更重要的是，最新的3D垂直式存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)的使用耐久度已經(jīng)達(dá)到了 SM843T的10倍有余，而能夠滿足上一代SSD固態(tài)硬盤(pán)所無(wú)法應(yīng)對(duì)的新類(lèi)型應(yīng)用，完全實(shí)現(xiàn)之前從來(lái)不可能實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。不過(guò)目前依然還沒(méi)有任何全新3D 垂直面向大眾消費(fèi)市場(chǎng)的上市時(shí)間及價(jià)格消息。