3D NAND存儲助力智能手機應用進入新時代

　　前言

　　全球的智能手機用戶一直在不斷尋求更好的移動體驗。他們不僅下載比以往任何時候都更多的應用，而且還使用更為復雜的應用來支持攝影、4K Ultra視頻的播放和錄制、電影流式播放、導航、圖像采集以及虛擬現(xiàn)實(VR)/增強現(xiàn)實(AR)等方面更大的技術(shù)進步。

　　在某些地區(qū)，智能手機是唯一與外界聯(lián)系的設(shè)備，因此用戶對它們的依賴程度非常高，已經(jīng)習慣于讓手機不間斷地運行并管理他們的日常生活。中國擁有全球最大智能手機用戶群，這些用戶經(jīng)常使用高級在線支付服務(如Alipay(支付寶)和Tenpay(財付通))來支付賬單和管理財務，使用個人通信服務(如微信)來處理語音、視頻、文字和群發(fā)消息，甚至會利用手機叫出租車(如滴滴出行)，此類服務已經(jīng)覆蓋四百多座城市的四億用戶。

　　預計在未來，眾多智能手機應用將產(chǎn)生難以置信的大量數(shù)據(jù)。消費者利用這些下一代數(shù)據(jù)密集型應用的能力將要求智能手機具有極高響應性的系統(tǒng)級性能以及支持更大文件所必需的高容量;同時，這種能力還依賴于智能手機每天產(chǎn)生和采集到的海量數(shù)據(jù)。

　　2D NAND 與 3D NAND 對比概述

　　智能手機繼續(xù)在使用嵌入式閃存來存儲和操作應用數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)，因為其存儲單元駐留在適合手機設(shè)備有限空間的小型半導體中。幾十年來，閃存一直基于二維平面的NAND技術(shù)，其將存儲單元水平地布置在物理空間中，因此受到半導體芯片的“x”和“y”邊界的限制。這項技術(shù)已經(jīng)達到了其實際的規(guī)模限制，因此，在每一代產(chǎn)品中，提供越來越大容量、越來越高性能的存儲已經(jīng)變得日益困難。所以3D NAND技術(shù)應需而生。它采用創(chuàng)新的工藝架構(gòu)，能夠帶來比2D平面NAND更大的容量、更好的性能和更高的可靠性。

　　3D NAND是閃存領(lǐng)域的一個重大進步，它有望釋放巨大的存儲容量增長潛力。其布置在硅底層上的存儲單元能夠被移動到第三維空間，也就是在各個層面上進行垂直堆疊，并且通過傳播電荷的導線進行連接。通過將存儲單元放置在多個層面上，就像摩天大樓的各個樓層一樣，這種垂直堆疊方式能夠在相同的物理空間中實現(xiàn)更大的存儲密度，而不受芯片邊界的限制，并且比2D平面NAND更可靠(稍后討論)。其他討論要點包括行業(yè)優(yōu)勢以及3D NAND如何在系統(tǒng)層次上提高應用性能，從而有助于實現(xiàn)新一波智能手機應用。

　　智能手機用戶群持續(xù)擴大

　　智能手機已經(jīng)成為消費者使用最頻繁的移動設(shè)備，對用戶也是最重要最關(guān)鍵的設(shè)備。用戶不僅通過語音、文字和互聯(lián)網(wǎng)與外界保持聯(lián)系，還要通過手機進行娛樂、計算、導航、交易、捕捉珍貴時刻等等。截至2016年，全球智能手機用戶數(shù)量超過20億，預計到2020年將增長至將近30億。

　　每天都產(chǎn)生更多智能手機用戶，而且人們也對其設(shè)備期望更多，這明顯表現(xiàn)在過去幾年中顯著提高的應用下載量(圖1)。

　　?在美國，消費者的移動應用下載量在2017年(373億)預計將比2016年(292億)提高約28%，而且到2021年底將增加100%(達到747億)。

　　?在亞太地區(qū)(包括擁有最大用戶群的中國)，消費者的移動應用下載量在2017年(1177億)預計將比2016年(862億)提高約37%，而且到2021年底將增加69%(達到1989億)。

　　隨著智能手機應用的使用量繼續(xù)大幅增加，手機應用下載的實際大小也在不斷提高 -- 目前，移動應用的平均大小在iOS系統(tǒng)中大約為38MB，在Android系統(tǒng)中大約為15MB。

　　目前應用較為流行的智能手機App中，照片及視頻采集應用的使用量不斷上升 -- 而且目前所采集的內(nèi)容也明顯更加先進和復雜。1小時長度的720p高清(HD)視頻，在每秒30幀的情況下，需要大約3.5GB的存儲空間。而一小時1080p的高清視頻，在每秒30幀的情況下，需要大約7.6GB的存儲空間，而在每秒60幀的情況下需要大約11.7GB的存儲空間。一小時4K Ultra視頻需要大約21.9GB的存儲空間。此外，2016年第四季度全球銷售的智能手機中，將近44%能夠錄制4K分辨率的視頻，而慢動作視頻需要的存儲容量通常比標準視頻高八倍。

　　為了支持更高的存儲需求，并充分利用規(guī)模更大的下一代應用，智能手機將需要極為靈敏的系統(tǒng)級(芯片組和存儲器)性能和更大的容量。過去的16GB和32GB容量的智能手機現(xiàn)在已經(jīng)被認為不足，因為他們性能低、容量小，無法支持當今活躍的移動生活方式 – 這為3D NAND閃存鋪平了道路。

　　為消費者帶來的好處

　　3D NAND以更低的每比特成本解決了與2D平面NAND縮放相關(guān)的挑戰(zhàn)，并且提供了更大的容量、更好的性能和更高的可靠性。用于開發(fā)3D NAND的制造工藝使得我們能夠采用更小尺寸的芯片，這樣便可以將更大的電池安裝到相同的物理空間中，從而提供更長的設(shè)備可用時間。

　　3D NAND架構(gòu)中每個存儲單元之間的空間比傳統(tǒng)的2D NAND架構(gòu)更寬松，從而支持存儲設(shè)備更快地寫入(或傳輸)數(shù)據(jù)。更寬松的單元空間還能夠減少同一個層面上每個相鄰3D NAND單元之間的噪聲和“單元對單元”干擾，從而帶來比2D平面NAND架構(gòu)更高的存儲數(shù)據(jù)完整性。

　　存儲級性能的提高能夠改善智能手機應用的性能，并提供更強大的功能，例如更迅速的多次拍攝、更好的4K Ultra視頻播放或者更快的文件傳輸，這能夠支持新一輪的智能手機應用。采用3D NAND的存儲設(shè)備到2017年底預計占NAND總消費量的大約百分之三十，到2019年底將占約百分之六十六，并將在移動設(shè)備中大量使用。

　　支持下一代智能手機應用

　　3D NAND在性能、存儲密度、可擴展性和可靠性方面均有重大改進，非常適合目前正在開發(fā)的下一代智能手機應用。許多獨特而有趣的應用正在開發(fā)之中，這將使未來智能手機的使用更加令人興奮、更具有吸引力，這些都會推動對3D NAND的需求，以便存儲這些更大的文件以及它們所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量。其中包括：

　　**? 全息顯示 **-- 支持在智能手機視頻通話中使用3D全息圖來傳達肢體語言 ? 人工智能-- 使智能手機能夠了解用戶的個人偏好、興趣、日程等等，從而不僅可以根據(jù)個性化信息提供移動設(shè)備體驗，而且還可以不斷積累知識、模仿人的行為、理解真實場景? 無人機仿真-- 通過模仿無人機的功能，可以將丟失的智能手機引導回合法的所有者手中? 高端游戲-- 使智能手機轉(zhuǎn)變成與PC類似的高端游戲設(shè)備? 熱成像-- 把智能手機轉(zhuǎn)變?yōu)橐归g模式，也就是與軍事人員和戶外運動愛好者所使用的設(shè)備相類似的熱成像光學設(shè)備? 實時翻譯-- 使智能手機能夠?qū)﹃P(guān)鍵語言進行實時翻譯，從而幫助存在語言障礙時進行交流，特別是有助于那些處于險境的旅行者? 360度視頻-- 使配備了360度攝像頭的智能手機能夠創(chuàng)建出同時記錄各個方向景象的視頻，在此過程中，用戶可以控制每個景象，從而能夠創(chuàng)建出動作片段和基本的類似VR(虛擬現(xiàn)實)的體驗

　　小結(jié)

　　3D NAND解決了與2D平面NAND縮放相關(guān)的挑戰(zhàn) -- 以更低的每比特成本(在相同的物理空間上)實現(xiàn)了更高的密度，同時提供更大的容量、更好的性能和更高的可靠性。當嵌入到智能手機等移動設(shè)備中時，能夠大幅度改善內(nèi)存級存儲，并挖掘存儲容量方面的巨大增長潛力，而這將推動智能手機應用新時代的到來。

　　關(guān)于作者：

　　Christopher Bergey，西部數(shù)據(jù)公司嵌入式和集成解決方案副總裁。負責西部數(shù)據(jù)公司嵌入式存儲解決方案在移動和互聯(lián)市場領(lǐng)域的戰(zhàn)略開發(fā)和推進，包括智能手機和平板電腦、汽車、工業(yè)、互聯(lián)家居設(shè)備以及其他互聯(lián)產(chǎn)品、以及“物聯(lián)網(wǎng)”環(huán)境。在加入西部數(shù)據(jù)公司之前，Bergey先生曾在Luxtera、Broadcom、Multilink 科技公司以及AMD擔任高級管理和市場職務。他獲得了馬里蘭大學的工商管理碩士學位以及Drexel大學的電子與計算機工程學士學位