NAND閃存前途有隱憂

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SSD（Solid State Disk)是一種被普遍看好的存儲介質(zhì)。由于具備數(shù)據(jù)讀取速度快、省電、體積小、重量輕、耐沖擊等諸多優(yōu)點(diǎn)，越來越多的個人計(jì)算機(jī)開始采用這種新的存儲設(shè)備，特別是一些高端的個人電腦，如蘋果公司的MacBook Air就采用SSD; 同時，也有一些上網(wǎng)本選用了SSD。不僅如此，SSD已經(jīng)從消費(fèi)產(chǎn)品進(jìn)入企業(yè)級，在數(shù)據(jù)中心找到了自己的位置。業(yè)內(nèi)人士普遍預(yù)測，隨著SSD大規(guī)模量產(chǎn)，價格進(jìn)一步降低，SSD的普及指日可待。不過，在另外一些業(yè)內(nèi)人士看來，SSD的普及面臨著一個很大的難題，就是作為SSD主要部件的NAND閃存前途存在很大不確定性，由于光刻技術(shù)以及成本方面的原因，NAND閃存無法繼續(xù)縮小尺寸，同時保證現(xiàn)有的性能。

位錯誤和可靠性困擾NAND閃存

2月初，英特爾和美光成立的合資公司IMFT宣布它將生產(chǎn)25納米的NAND閃存，在此前投入量產(chǎn)的最先進(jìn)的NAND閃存工藝是34納米和32納米。不過，你可不要指望NAND閃存的生產(chǎn)工藝能一直保持這樣的速度向10納米、5納米突破，IMFT公司表示，由于位錯誤和成本方面的原因，可能無法繼續(xù)大幅縮小NAND閃存芯片的尺寸。如果真如IMFT公司所言，NAND閃存——這種SSD最重要的組件其前途可能需要重新考量。

“我認(rèn)為，NAND閃存可能不再是主流的存儲介質(zhì)，在未來的4～5年時間內(nèi)，就可能成為事實(shí)?！笔袌鲅芯繖C(jī)構(gòu)Forward Insight公司的閃存分析師Gregory Wong表示，“人們正在尋找替代技術(shù)?！?/P>

最近幾年來，NAND閃存一直是推動存儲技術(shù)發(fā)展的一個重要推動力，其普及態(tài)勢銳不可當(dāng)。iSuppli公司預(yù)測，全球閃存卡出貨量將從現(xiàn)在的5.3億萬片上升到2013年的95億片，市場規(guī)模達(dá)到265億美元。除了Intel、美光之外，三星、東芝等廠商也都給予NAND閃存高度重視，比如，三星公司最近就發(fā)布了64GB嵌入式moviNAND和32GB的MicroSD可移動存儲卡，這兩種新的閃存使用的都是30納米的光刻技術(shù)。

盡管東芝及其合作伙伴SanDisk有計(jì)劃在2010年下半年開始投產(chǎn)20納米的 NAND閃存，不過， IMFT所采用的25納米光刻技術(shù)仍是目前最先進(jìn)的NAND生產(chǎn)工藝。有關(guān)專家對這種光刻技術(shù)到底能達(dá)到多小的尺寸持謹(jǐn)慎態(tài)度，因?yàn)槌叽缱冃『竺媾R著如何讓閃存依然可靠這個難題。而另一方面，采用更精細(xì)的光刻技術(shù)又非常重要，因?yàn)檫@意味者同樣大小的晶圓上能刻出更多的晶體管，也能保存更多的數(shù)據(jù)。

“采用更精細(xì)的光刻技術(shù)難度在于，要保持與以前的產(chǎn)品一樣的性能?！盜ntel公司NAND市場總監(jiān)Troy Winslow說，“目前這一代生產(chǎn)工藝該難題還能克服，但是就未來兩到3代的生產(chǎn)工藝而言，我們必須尋找新的材料和制程工藝，否則這一難題是無法克服的。”

Intel目前的光刻技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了原子級。光刻技術(shù)是一種用硅材料生產(chǎn)晶格和晶體管的工藝，這些晶格和晶體管用來保存數(shù)據(jù)位，它們越小意味著單片的NAND閃存能存儲的數(shù)據(jù)越多。以25納米的制程工藝為例，刻在硅材料上的晶格大小只有一根頭發(fā)絲的1/3000。而當(dāng)晶格大小達(dá)到這一級別時，晶格內(nèi)部的電氣干擾就會成為難以逾越的障礙。

iSuppli的內(nèi)存與存儲部門高級分析師Michael Yang認(rèn)為，就NAND閃存生產(chǎn)而言，20納米是光刻技術(shù)很難突破的一道門檻。他說：“除非我們能突破，否則就要研究其他可替代存儲技術(shù)?！?/P>

另外，隨著閃存生產(chǎn)工藝的進(jìn)步，每一代閃存存儲單元中的電子數(shù)量都比上一代產(chǎn)品中的少，如何讓存儲單元繼續(xù)可靠地保存數(shù)據(jù)也越來越難了。以在消費(fèi)類產(chǎn)品中最普及的閃存類型多層晶圓（MLC）NAND閃存為例，目前就處在從每個存儲單元保存兩個比特?cái)?shù)據(jù)向3～4個比特?cái)?shù)據(jù)過渡的過程。保存的數(shù)據(jù)位數(shù)增加意味著在控制級進(jìn)行的編程工作量增加，因?yàn)闉榱舜_保每個比特位能正確保存，必須在控制級對每個存儲單元進(jìn)行管理，也就是需要編程。這種編程對單層晶圓（SLC）NAND閃存而言相對簡單，因?yàn)槊總€存儲單元只保存一個比特，而對每個存儲單位要保存2～3位比特的多層晶圓閃存而言，其編程工作量要增加2～3倍。

增加每個存儲單元存儲數(shù)據(jù)的位數(shù)并不總是最佳辦法，因?yàn)殡S著光刻技術(shù)越來越精細(xì)，位錯誤發(fā)生的概率會越來越高，采用每存儲單元保存3～4位的MLC NAND閃存，這個問題會更嚴(yán)重。比較高的位錯誤率需要更多檢測和糾錯工作，而糾錯就意味著數(shù)據(jù)讀取延遲。在IMFT發(fā)布它的25納米NAND閃存時，其公司發(fā)言人就表示，由于可靠性方面的原因，該公司已叫停了每個存儲單元保存3位比特?cái)?shù)據(jù)的MLC NAND閃存的生產(chǎn)。去年8月，IMFT宣布采用34納米的光刻技術(shù)生產(chǎn)這種NAND閃存，從而將閃存體積縮小11%。

“每存儲單元保存3位其最大的技術(shù)挑戰(zhàn)在于，難于在保證閃存的性能、可靠性的同時，又不增加太多生產(chǎn)成本?！泵拦夤綨AND市場總監(jiān)Kevin Kilbuck表示。

誰是NAND閃存的替代者？

如果NAND閃存的未來不確定的話，那么誰會是替代者？

相變存儲（Phase-Change Memory，PCM）被認(rèn)為是繼NAND閃存后的下一代存儲技術(shù)。相變存儲也是一種非易失性的存儲技術(shù)，當(dāng)沒有信息讀取或者寫入的時候，沒有能源消耗，因此很節(jié)能。而且，相變存儲設(shè)備的可寫入次數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于NAND閃存?，F(xiàn)在的NAND閃存可寫入次數(shù)大約在1萬到10萬次，而相變存儲大約是它的3～5倍。

更重要的是，相變存儲寫性能比NAND閃存更高，相變存儲采用了一種融合了硫磺、硒或者碲的材料，這些半導(dǎo)體能夠通過加熱工藝從一種相位轉(zhuǎn)變到另一個相位，從而擦除任何數(shù)據(jù)，由于在寫入數(shù)據(jù)之前不需要擦除此前保存的數(shù)據(jù)，因此，相變存儲的寫入性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于NAND。

意法半導(dǎo)體和英特爾的合資公司Numonyx已經(jīng)制造出90納米的相變存儲器,看上去與NOR閃存有些相似，寫入周期與閃存接近。如果采用45納米的工藝，寫入周期將有可能提高到200萬到1000萬次。而且，更為重要的是，目前業(yè)界認(rèn)為相變存儲未來可以突破20納米，最小達(dá)到3納米。

除了相變存儲以外，目前，也有一些存儲器廠商正在研究一項(xiàng)名為電阻式讀取存儲介質(zhì)（RRAM）的技術(shù)。這種產(chǎn)品沒有采用傳統(tǒng)的硅作為電阻材料，而是采用了硅中的細(xì)絲或者導(dǎo)電通路。與其他非易失性存儲介質(zhì)相比，RRAM更有優(yōu)勢，比如它的編程電壓比相變存儲低，同時，其體積與NAND閃存相當(dāng)，也就是說，這是一項(xiàng)有望縮小存儲設(shè)備尺寸的技術(shù)。

其他技術(shù)還包括Charge trap flash。不過，總體來說，這些新的存儲技術(shù)都還處在研究過程中，與NAND閃存相比，其技術(shù)成熟度還有一定差距，誰最終會替代NAND閃存還不明確。另一種可能是，未來研究人員將突破NAND閃存面臨的障礙，從而延長NAND閃存的壽命。但無論如何，芯片制造業(yè)是一個創(chuàng)新能力很強(qiáng)的產(chǎn)業(yè)，我們相信，未來的存儲設(shè)備一定會繼續(xù)沿著性能更高、體積更小、成本降低的方向向前發(fā)展的。