3D NAND技術工藝發(fā)展與主流內(nèi)存標準探討

　　說到閃存，很多人都會想到運行內(nèi)存和儲存內(nèi)存，關心手機硬件的朋友應該都對CPU、GPU、屏幕和電池等部件非常熟悉，但是對于產(chǎn)品性能同樣非常重要的RAM(運行內(nèi)存)和ROM(儲存內(nèi)存)相信就沒有那么多人有很多了解了，今天的這篇文章，就先來說說儲存內(nèi)存的那些事。首先，和CPU等不一樣，ROM的性能好壞的評價并不和計算能力相關，衡量一塊閃存和運存性能好壞的，只有兩個指標：數(shù)據(jù)讀寫速度和容量。

　　3D NAND為閃存容量打了興奮劑

　　3D NAND閃存興起

　　關于容量，首先需要強調(diào)，手機儲存容量、固態(tài)硬盤(SSD)、U盤和SD卡等使用的都是一種叫做NAND的儲存介質，傳統(tǒng)的儲存介質還有機械硬盤(HHD)，也就是傳統(tǒng)的光盤儲存。特點是斷電之后也能保持儲存的數(shù)據(jù)不丟失，可以作存儲數(shù)據(jù)用。而所謂的RAM(運行內(nèi)存)則是通過某種電容(DRAM、SRAM或RRAM)儲存數(shù)據(jù)的，斷電之后數(shù)據(jù)馬上消失，但是數(shù)據(jù)吞吐速度及其迅速，這里不做深究。

　　我們都知道現(xiàn)在蘋果已經(jīng)將自家的iPhone容量整體翻了一倍，從以前的16GB/64GB/128GB改為了32GB/128GB/256GB，所以即使今年的iPhone7銷售情況并不能比上去年的iPhone6s，但是對NAND閃存的需求量仍然上漲了接近一倍，再加上固態(tài)硬盤的價格持續(xù)走低，這種幾年前還是奢侈品的硬盤現(xiàn)在已經(jīng)走進尋常百姓家，需求量也大大增長，這一切都促使著NAND閃存產(chǎn)量需要大幅增加。再加上2D NAND的生產(chǎn)線很多都為最新的3D NAND閃存騰了出來，而3D NAND技術，就是最近幾年閃存容量飛速增長的最大助力。

　　3D NAND技術工藝提出與普及

　　傳統(tǒng)的2D-NAND如果想要在同樣的芯片體積上增加儲存容量，需要NAND cell單元制程越做越小，這樣才能在單位面積中塞入更多的存儲單元，可是物理這個東西總是有極限的，在20nm工藝之后，隨著單元體積的進一步縮小，會帶來越來越嚴重的電子干擾現(xiàn)象，這就使得儲存芯片的可靠性與讀寫性能反而會降低。

　　在這種窘境下，3D NAND技術被提了出來，簡單來說就是將原來平面排列的NAND cell再加一個垂直方向上的堆疊，這種垂直方向的排列可以在微觀下數(shù)倍的增加可用體積，可是因為單個cell單元的體積極小，所以并不會在宏觀層面帶來體積增加。并且因為可用體積成倍增長，使用3D NAND堆疊的閃存可以用更加成熟的制程，所以三星、Intel等廠商生產(chǎn)的3D NAND閃存都是使用的30nm左右的制程，而不是20nm以下的制程，這也為3D NAND帶來了更加優(yōu)秀的可靠性。例如目前20nm工藝下的MLC閃存的擦寫次數(shù)普遍是3000次，而使用了3D NAND技術的三星的V-NAND閃存可達35000次。

　　正是因為3D NAND技術的提出和普及，現(xiàn)在我們越來越多地看見在以前難以想象的1TB SD卡這樣的怪獸級儲存設備，而在相同的芯片體積下，手機的ROM和電腦的SSD等也有著越來越大的儲存容量。可惜的是這項擁有光明前景的技術在國內(nèi)無人能夠掌握，三星和Intel等廠商已經(jīng)能夠制造36、48層甚至是64層的3D NAND堆疊，國內(nèi)前段時間也傳出中芯將在武漢花費160億美元建立DRAM和NAND工廠，可是就現(xiàn)在的情況來看，國內(nèi)廠商僅僅能夠生產(chǎn)出4層堆疊的3D NAND，和業(yè)界巨頭來比還相去甚遠。

　　主流內(nèi)存標準規(guī)格：eMMC標準、UFC標準和NVMe標準

　　除了容量，讀寫速度也是制約使用體驗的因素之一，想必所有人都嘗到過游戲、應用加載過慢的痛苦，但是隨著各家廠商提出新的標準規(guī)格，近年來小到不起眼的手機內(nèi)存也迎來了突飛猛進的發(fā)展?，F(xiàn)在的內(nèi)存標準規(guī)格可以分為3類，一是傳統(tǒng)的eMMC，再就是分別由三星和蘋果提出的UFC標準和NVMe標準。

　　其實這些標準就是在NAND存儲芯片的基礎上，再加上了控制芯片，接入標準接口，進行標準封裝，形成一個高度集成的儲存模塊。有點像手機中的SoC，將所有需要的東西都塞到一個模塊中，方便手機制造商直接拿來裝在主板上，簡化了產(chǎn)品研發(fā)的流程。不過這三種標準更多的只是在接口和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議上的標準，在存儲介質上，都是使用的NAND閃存。

　　eMMC在之前一直都是業(yè)內(nèi)主流的內(nèi)存標準，通俗的來說，eMMC=NAND閃存 閃存控制芯片 標準接口封裝，UFS和NVMe也都是如此，不同之處在于閃存控制芯片和接口協(xié)議不一樣。eMMC從eMMC4.3一路發(fā)展到4.4、4.5直到現(xiàn)在的5.0，傳輸速度也從50MB/S一路狂飆到200MB/S直到現(xiàn)在eMMC5.0的400MB/S，再往后還有eMMC5.1高達600MB/S的傳輸速度。

　　不過用三星的話來說，eMMC標準的潛力已經(jīng)被榨干了，UFS標準才是未來。eMMC在一段時間里只能夠讀取或者寫入一種狀態(tài)，而UFS2.0支持同時讀寫數(shù)據(jù)，并且在傳輸速度上可以達到780MB/S。在功耗方面，雖然在滿載工作時功耗比eMMC高，但是待機狀態(tài)下卻低得多?，F(xiàn)在使用了UFS2.0的手機已經(jīng)很多了，使用了高通驍龍821、820和三星Exynos 8890等處理器的手機都已經(jīng)支持UFS 2.0。

　　不過蘋果一向在硬件上愛默默地堆料，使用了NVMe協(xié)議的iPhone6s和iPhone7讀寫速度都達到了三星S7的2倍以上，所以說iPhone的流暢不僅僅是系統(tǒng)的問題，在硬件上，蘋果可一直都是領先安卓陣營的。不過據(jù)說在隨機讀寫速度這一項上，UFS2.0的表現(xiàn)要優(yōu)于NVMe，這代表著在日常復雜的使用環(huán)境中，UFS是有優(yōu)勢的。并且據(jù)說三星即將推出UFS2.1標準，讀寫速度可以達到讓人咋舌的1.5GB/S。

　　近期就有傳言稱華為將要發(fā)布的麒麟960處理器就將支持UFS2.1，而作為三星自家的標準，也有很有可能出現(xiàn)在三星的手機中，不知道最后誰能夠成為第一個在存儲速度上打敗iPhone的手機廠家。