3D NAND存儲(chǔ)助力智能手機(jī)應(yīng)用進(jìn)入新時(shí)代

前言

全球的智能手機(jī)用戶一直在不斷尋求更好的移動(dòng)體驗(yàn)。他們不僅下載比以往任何時(shí)候都更多的應(yīng)用，而且還使用更為復(fù)雜的應(yīng)用來支持?jǐn)z影、4K Ultra視頻的播放和錄制、電影流式播放、導(dǎo)航、圖像采集以及虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）等方面更大的技術(shù)進(jìn)步。

在某些地區(qū)，智能手機(jī)是唯一與外界聯(lián)系的設(shè)備，因此用戶對(duì)它們的依賴程度非常高，已經(jīng)習(xí)慣于讓手機(jī)不間斷地運(yùn)行并管理他們的日常生活。中國擁有全球最大智能手機(jī)用戶群，這些用戶經(jīng)常使用高級(jí)在線支付服務(wù)（如Alipay（支付寶）和Tenpay（財(cái)付通））來支付賬單和管理財(cái)務(wù)，使用個(gè)人通信服務(wù)（如微信）來處理語音、視頻、文字和群發(fā)消息，甚至?xí)檬謾C(jī)叫出租車（如滴滴出行），此類服務(wù)已經(jīng)覆蓋四百多座城市的四億用戶。

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

2D NAND 與 3D NAND 對(duì)比概述

智能手機(jī)繼續(xù)在使用嵌入式閃存來存儲(chǔ)和操作應(yīng)用數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)，因?yàn)槠浯鎯?chǔ)單元駐留在適合手機(jī)設(shè)備有限空間的小型半導(dǎo)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(chǔ)單元水平地布置在物理空間中，因此受到半導(dǎo)體芯片的“x”和“y”邊界的限制。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了其實(shí)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(chǔ)已經(jīng)變得日益困難。所以3D NAND技術(shù)應(yīng)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(gè)重大進(jìn)步，它有望釋放巨大的存儲(chǔ)容量增長潛力。其布置在硅底層上的存儲(chǔ)單元能夠被移動(dòng)到第三維空間，也就是在各個(gè)層面上進(jìn)行垂直堆疊，并且通過傳播電荷的導(dǎo)線進(jìn)行連接。通過將存儲(chǔ)單元放置在多個(gè)層面上，就像摩天大樓的各個(gè)樓層一樣，這種垂直堆疊方式能夠在相同的物理空間中實(shí)現(xiàn)更大的存儲(chǔ)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(diǎn)包括行業(yè)優(yōu)勢以及3D NAND如何在系統(tǒng)層次上提高應(yīng)用性能，從而有助于實(shí)現(xiàn)新一波智能手機(jī)應(yīng)用。

智能手機(jī)用戶群持續(xù)擴(kuò)大

智能手機(jī)已經(jīng)成為消費(fèi)者使用最頻繁的移動(dòng)設(shè)備，對(duì)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(jī)進(jìn)行娛樂、計(jì)算、導(dǎo)航、交易、捕捉珍貴時(shí)刻等等。截至2016年，全球智能手機(jī)用戶數(shù)量超過20億，預(yù)計(jì)到2020年將增長至將近30億。

每天都產(chǎn)生更多智能手機(jī)用戶，而且人們也對(duì)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(yīng)用下載量（圖1）。

·在美國，消費(fèi)者的移動(dòng)應(yīng)用下載量在2017年（373億）預(yù)計(jì)將比2016年（292億）提高約28％，而且到2021年底將增加100％（達(dá)到747億）。

·在亞太地區(qū)（包括擁有最大用戶群的中國），消費(fèi)者的移動(dòng)應(yīng)用下載量在2017年（1177億）預(yù)計(jì)將比2016年（862億）提高約37％，而且到2021年底將增加69％（達(dá)到1989億）。

圖1：按地區(qū)劃分的全球移動(dòng)應(yīng)用下載量

（資料來源：Statista 2017）

隨著智能手機(jī)應(yīng)用的使用量繼續(xù)大幅增加，手機(jī)應(yīng)用下載的實(shí)際大小也在不斷提高 -- 目前，移動(dòng)應(yīng)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(yīng)用較為流行的智能手機(jī)App中，照片及視頻采集應(yīng)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(jìn)和復(fù)雜。1小時(shí)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(chǔ)空間。而一小時(shí)1080p的高清視頻，在每秒30幀的情況下，需要大約7.6GB的存儲(chǔ)空間，而在每秒60幀的情況下需要大約11.7GB的存儲(chǔ)空間。一小時(shí)4K Ultra視頻需要大約21.9GB的存儲(chǔ)空間。此外，2016年第四季度全球銷售的智能手機(jī)中，將近44％能夠錄制4K分辨率的視頻，而慢動(dòng)作視頻需要的存儲(chǔ)容量通常比標(biāo)準(zhǔn)視頻高八倍。

為了支持更高的存儲(chǔ)需求，并充分利用規(guī)模更大的下一代應(yīng)用，智能手機(jī)將需要極為靈敏的系統(tǒng)級(jí)（芯片組和存儲(chǔ)器）性能和更大的容量。過去的16GB和32GB容量的智能手機(jī)現(xiàn)在已經(jīng)被認(rèn)為不足，因?yàn)樗麄冃阅艿?、容量小，無法支持當(dāng)今活躍的移動(dòng)生活方式 – 這為3D NAND閃存鋪平了道路。

為消費(fèi)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(shí)間。

3D NAND架構(gòu)中每個(gè)存儲(chǔ)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(chǔ)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(gè)層面上每個(gè)相鄰3D NAND單元之間的噪聲和“單元對(duì)單元”干擾，從而帶來比2D平面NAND架構(gòu)更高的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)完整性。

存儲(chǔ)級(jí)性能的提高能夠改善智能手機(jī)應(yīng)用的性能，并提供更強(qiáng)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(jī)應(yīng)用（下一節(jié)將詳述）。采用3D NAND的存儲(chǔ)設(shè)備到2017年底預(yù)計(jì)占NAND總消費(fèi)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(dòng)設(shè)備中大量使用。

支持下一代智能手機(jī)應(yīng)用

3D NAND在性能、存儲(chǔ)密度、可擴(kuò)展性和可靠性方面均有重大改進(jìn)，非常適合目前正在開發(fā)的下一代智能手機(jī)應(yīng)用。許多獨(dú)特而有趣的應(yīng)用正在開發(fā)之中，這將使未來智能手機(jī)的使用更加令人興奮、更具有吸引力，這些都會(huì)推動(dòng)對(duì)3D NAND的需求，以便存儲(chǔ)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(jī)視頻通話中使用3D全息圖來傳達(dá)肢體語言

·人工智能 -- 使智能手機(jī)能夠了解用戶的個(gè)人偏好、興趣、日程等等，從而不僅可以根據(jù)個(gè)性化信息提供移動(dòng)設(shè)備體驗(yàn)，而且還可以不斷積累知識(shí)、模仿人的行為、理解真實(shí)場景

·無人機(jī)仿真 -- 通過模仿無人機(jī)的功能，可以將丟失的智能手機(jī)引導(dǎo)回合法的所有者手中

·高端游戲 -- 使智能手機(jī)轉(zhuǎn)變成與PC類似的高端游戲設(shè)備

·熱成像 -- 把智能手機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)橐归g模式，也就是與軍事人員和戶外運(yùn)動(dòng)愛好者所使用的設(shè)備相類似的熱成像光學(xué)設(shè)備

·實(shí)時(shí)翻譯 -- 使智能手機(jī)能夠?qū)﹃P(guān)鍵語言進(jìn)行實(shí)時(shí)翻譯，從而幫助存在語言障礙時(shí)進(jìn)行交流，特別是有助于那些處于險(xiǎn)境的旅行者

·360度視頻 -- 使配備了360度攝像頭的智能手機(jī)能夠創(chuàng)建出同時(shí)記錄各個(gè)方向景象的視頻，在此過程中，用戶可以控制每個(gè)景象，從而能夠創(chuàng)建出動(dòng)作片段和基本的類似VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）的體驗(yàn)

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(shí)現(xiàn)了更高的密度，同時(shí)提供更大的容量、更好的性能和更高的可靠性。當(dāng)嵌入到智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備中時(shí)，能夠大幅度改善內(nèi)存級(jí)存儲(chǔ)，并挖掘存儲(chǔ)容量方面的巨大增長潛力，而這將推動(dòng)智能手機(jī)應(yīng)用新時(shí)代的到來。有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱白皮書“西部數(shù)據(jù)公司與3D NAND革命”。

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