回顧三星96層V-NAND的性能分析介紹

三星電子宣布，已經(jīng)開始批量生產(chǎn)第五代V-NAND 3D堆疊閃存，稱其同時(shí)擁有超大容量和超高速度。

據(jù)悉，三星第五代V-NAND采用96層堆疊設(shè)計(jì)，是目前行業(yè)最高紀(jì)錄，內(nèi)部集成了超過850億個(gè)3D TLC CTF存儲(chǔ)單元，每單元可保存3比特?cái)?shù)據(jù)，單Die容量達(dá)256Gb（32GB）。這些單元以金字塔結(jié)構(gòu)堆積，并在每一層之間貫穿極微小的垂直通道孔洞，僅有幾百微米寬。

三星稱，它在業(yè)內(nèi)首次使用了Toggle DDR 4.0接口，在存儲(chǔ)與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸率高達(dá)1.4Gbps，比上一代64層堆疊產(chǎn)品提升了40％，同時(shí)電壓從1.8V降至1.2V，能效大大提高。此外，其數(shù)據(jù)寫入延遲僅為500微秒，比上一代提升30％，而讀取信號(hào)響應(yīng)時(shí)間也大幅縮短到50微秒。

三星表示，會(huì)率先打造單模256Gb容量的V-NAND，與目前大多數(shù)三星消費(fèi)類SSD使用的相同尺寸，預(yù)計(jì)會(huì)在移動(dòng)及SSD市場中得到廣泛應(yīng)用，未來將會(huì)推出基于第五代V-NAND的1Tb及QLC產(chǎn)品。

而關(guān)于第五代V-NAND閃存的推出，三星最早是在2017年8月在舊金山閃存峰會(huì)上公布的。

目前，三星的主力產(chǎn)品是第四代V-NAND，它是在2016年的舊金山全球閃存峰會(huì)（Flash Memory Summit）上發(fā)布的，其最大特點(diǎn)就是在堆疊層數(shù)上由第三代的48層提升到了64層。

據(jù)悉，具有64層堆棧的第四代V-NAND為，核心容量為256-512Gb，2017年上半年已經(jīng)大規(guī)模量產(chǎn)。

而三星第一代3D V-NAND，是在2013年8月開始量產(chǎn)的。那一代V-NAND產(chǎn)品，每個(gè)die容量有128Gb（16GB），通過3D堆疊技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)最多24層die堆疊，這使得24層堆疊的總?cè)萘窟_(dá)到了384GB。

在2016年的舊金山閃存峰會(huì)上，三星公布了Z-NAND與Z-SSD的相關(guān)信息。后者基于第四代V-NAND，但由于具有一些新的特性（介于DRAM內(nèi)存和NAND閃存之間）、包含獨(dú)特的電路設(shè)計(jì)與優(yōu)化后的主控，三星于是用Z-NAND來命名這款閃存芯片。相比其他NAND，當(dāng)時(shí)發(fā)布的Z-SSD延遲有大幅度的降低，而讀取速度提高了近2倍。

而在2017年8月的閃存峰會(huì)上，三星Z-SSD“概念機(jī)”正式落地，被命名為SZ-985，3個(gè)月后，SZ-985于2017年11月正式發(fā)布。

據(jù)悉，Z-SSD非常穩(wěn)定，能夠在整個(gè)生命周期內(nèi)保持同樣的延遲時(shí)間，不會(huì)因?yàn)槭褂脮r(shí)間長改變延遲性能。三星還在積極開發(fā)第二代產(chǎn)品，據(jù)說可以大大降低成本，而且保持了低延遲的性能。

V-NAND強(qiáng)在哪里

與2D平面閃存相比，V-NAND垂直結(jié)構(gòu)有明顯優(yōu)勢，主要包括以下兩點(diǎn)：

1、容量增加：每個(gè)存儲(chǔ)塊中的頁數(shù)增加2倍，每個(gè)存儲(chǔ)塊中可以包含的字節(jié)數(shù)，由1024K Bytes增加到了3*1024K Bytes. 字節(jié)數(shù)的增加，代表存儲(chǔ)容量的增大；

2. 性能提升：V-NAND的每個(gè)頁的寫入時(shí)間為0.6ms，而平面NAND中的頁寫入時(shí)間是2ms, V-NAND快了1.4ms,。隨機(jī)讀方面，V-NAND和平面NAND只相差3us, 處于同一水平。在存儲(chǔ)塊擦除方面，V-NAND比平面NAND快了1ms.

在2D平面NAND中，隨著制程進(jìn)入20nm以下，不同存儲(chǔ)單元之間的干擾效應(yīng)越來越嚴(yán)重，為了減少干擾，三星在V-NAND中引入了電荷陷阱（Charge Trap Flash, CTF）的概念，目的就是盡可能的消除存儲(chǔ)單元之間的干擾。與平面NAND相比，V-NAND存儲(chǔ)單元的分布區(qū)間變窄了33%，這樣的好處就是減少了讀寫的錯(cuò)誤幾率，讓cell更加可靠。另外，V-NAND的存儲(chǔ)單元之間的干擾下降了84%，同樣，不同存儲(chǔ)單元之間的干擾減少，也可以很大程度上提高NAND的可靠性。

如下圖所示，在水平方向，即bit line方向，不同存儲(chǔ)單元之間相距較遠(yuǎn)，且有絕緣層阻隔，可以說在水平方向，不同存儲(chǔ)單元之間的干擾基本不存在。

在垂直方向，不同cell之間的距離達(dá)到40nm, 比平面NAND的十幾nm要大很多，所以，在垂直方向，不同存儲(chǔ)單元之間的干擾很小。

在2D平面NAND中，存儲(chǔ)單元采用的是浮柵結(jié)構(gòu)，電荷存在浮柵導(dǎo)體中。而在三星V-NAND中，存儲(chǔ)單元采用的是CTF結(jié)構(gòu)，電荷儲(chǔ)存在絕緣體中，與浮柵結(jié)構(gòu)相比，CTF結(jié)構(gòu)由于電荷儲(chǔ)存在絕緣體中，電荷更不容易跑出去，所以，在某種程度上，可以說采用CTF結(jié)構(gòu)的NAND閃存比采用浮柵結(jié)構(gòu)的NAND閃存更加可靠。

簡單來講，由于傳統(tǒng)NAND面臨著容量要想提高，制程就越先進(jìn)，可靠性和性能越低這樣的困境，而三星的解決方案就是V-NAND，它不再追求縮小cell單元，而是通過3D堆疊技術(shù)封裝更多cell，這樣也可以達(dá)到容量增多的目的。

通過3D堆疊，V-NAND可以垂直方向擴(kuò)展NAND密度，那就沒有繼續(xù)縮小晶體管的壓力了，所以三星可以使用相對舊的工藝來生產(chǎn)V-NAND閃存，不必非要演進(jìn)到10nm以下了。

3D NAND市場風(fēng)起云涌

3D NAND的發(fā)展速度越來越快，如今，96層堆疊的產(chǎn)品都開始量產(chǎn)了。雖然業(yè)界對于各家存儲(chǔ)器廠商紛紛上馬3D NAND項(xiàng)目，使得產(chǎn)能過剩的擔(dān)憂此起彼伏，但依然沒有打消廠商追求最先進(jìn)3D NAND的熱情，這其中不只有以三星（當(dāng)前，三星是全球最大的NAND供應(yīng)商）為代表的傳統(tǒng)大廠，中國本土的后起之秀也在該領(lǐng)域努力追趕，并極力擴(kuò)大產(chǎn)能。

可以說，國際大廠都在加快推進(jìn)3D NAND的技術(shù)演進(jìn)，不只有三星一家，美光、東芝、西數(shù)、SK海力士也都在摩拳擦掌，暗中蓄力，以便加高自身的技術(shù)壁壘，拉開與競爭者的差距，為下一波市場爭奪戰(zhàn)做好準(zhǔn)備。

而在近日舉行的國際存儲(chǔ)研討會(huì)（IMW 2018）上，應(yīng)用材料公司表示，到2020年，3D存儲(chǔ)堆疊可以做到120層，2021年可以達(dá)到140層。

除了3D堆疊之外，存儲(chǔ)廠商也在力圖通過改善數(shù)據(jù)儲(chǔ)存單元結(jié)構(gòu)與控制器技術(shù)來增加單位存儲(chǔ)容量，美光便率先推出QLC 3D NAND，將單位存儲(chǔ)容量提升了33%。

還以三星為例，據(jù)悉，該公司正在研發(fā)128層的3D NAND。其它廠商方面，東芝與西部數(shù)據(jù)曾經(jīng)宣布已完成96層3D NAND的研發(fā)，并多次擴(kuò)大Fab6工廠的投資金額，為96層3D NAND的量產(chǎn)做準(zhǔn)備。英特爾和美光也曾表示，96層3D NAND的開發(fā)結(jié)果將于2018年底或2019年初交付，預(yù)計(jì)英特爾和美光96層3D NAND可在2019年下半年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

目前，中國投入3D NAND的企業(yè)，以長江存儲(chǔ)為主，其項(xiàng)目進(jìn)展的速度也很快。2016年12月底，由長江存儲(chǔ)主導(dǎo)的國家存儲(chǔ)器基地正式動(dòng)土，官方預(yù)期分三階段，共建立三座3D-NAND Flash廠房。第一階段廠房已于2017年9月完成興建，預(yù)定2018年第三季開始移入機(jī)臺(tái)，并于第四季進(jìn)行試產(chǎn)，初期投片不超過1萬片，用于生產(chǎn)32層3D-NAND Flash產(chǎn)品，并預(yù)計(jì)于自家64層技術(shù)成熟后，再視情況擬定第二、三期生產(chǎn)計(jì)劃。

而準(zhǔn)備量產(chǎn)的32層3D-NAND Flash產(chǎn)品，是武漢長江存儲(chǔ)與中科院微電子所最著名的合作案例，已于近期試產(chǎn)成功，還榮獲了2018年產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟創(chuàng)新獎(jiǎng)。

據(jù)悉，雙方的合作始于2014年，當(dāng)時(shí)正式啟動(dòng)了3D NAND合作項(xiàng)目；

2015年，完成了9層結(jié)構(gòu)的3D NAND測試芯片，實(shí)現(xiàn)了電學(xué)性能驗(yàn)證；

2016年，實(shí)現(xiàn)了32層測試芯片研發(fā)及驗(yàn)證，注資240億美元建設(shè)國家存儲(chǔ)器基地；

2017年，測試芯片良率大幅提升，并實(shí)現(xiàn)了首款芯片的流片；

2018年，開始了3D NAND存儲(chǔ)芯片生產(chǎn)線試產(chǎn)。

紫光集團(tuán)董事長、長江存儲(chǔ)董事長趙偉國曾經(jīng)表示，武漢長江存儲(chǔ)基地將募資800億元，金額已經(jīng)全數(shù)到位，今年可進(jìn)入小規(guī)模量產(chǎn)，明年進(jìn)入128Gb的3D NAND 64層技術(shù)的研發(fā)。據(jù)紫光集團(tuán)全球執(zhí)行副總裁暨長江存儲(chǔ)執(zhí)行董事長高啟全透露，長江存儲(chǔ)的3D NAND閃存已經(jīng)獲得第一筆訂單，總計(jì)10776顆芯片，將用于8GB USD存儲(chǔ)卡產(chǎn)品。

綜上，無論是國際大廠，還是中國的本土新貴，都在不遺余力地發(fā)展3D NAND技術(shù)。而在各項(xiàng)性能指標(biāo)中，堆疊層數(shù)成為了最為顯眼和受矚目的元素，這就像是在制程工藝方面，節(jié)點(diǎn)（10nm，7nm，5nm等）成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)一樣，隨著工藝的演進(jìn)，節(jié)點(diǎn)微縮的難度越來越大，不知道3D NAND的堆疊層數(shù)是否也會(huì)如制程節(jié)點(diǎn)一樣。眼下三星量產(chǎn)的96層是否已經(jīng)逼近了物理極限呢？