三星3D垂直NAND閃存量產 SSD容量可輕松提升

韓國三星公司剛剛宣布旗下的最新一代采用3D垂直閃存(V-NAND)的固態(tài)硬盤驅動器已經開始進行量產。最新的3D垂直閃存與傳統(tǒng)的NAND存儲芯片相比，具有包括讀寫速度快1倍、使用壽命多10倍及能耗減少50%等眾多優(yōu)勢。雖然目前3D芯片所能提供的存儲密度仍與傳統(tǒng)的2D芯片結構相同，但是當在2D結構發(fā)展停滯時，完全可以依靠3D結構就能提供更多數量級的額外存儲密度。

閃存技術可以說是21世紀以來最偉大的奇跡故事之一。雖然早在1980年就已經問世，但是在十多年之后才被正式投放到市場中，當時的閃存存儲密度只有 20MB。現在經過了20多年的發(fā)展，閃存技術已經多次提升甚至超越了摩爾定律的限制，容量已經達到了最初時的3萬多倍。

最新的NAND閃存采用了10納米的的光刻工藝，并且開始遇到一些物理上的麻煩。一個NAND閃存，就是一個浮柵晶體管(floating-gate transistor)，而一個絕緣柵層能夠存儲電荷很長的時間。而存儲器的讀取，則是通過門控脈沖測量設備通道的導通性來實現的。如果沒有存儲電荷，存儲單元就會給出一個響應;而如果存儲了電荷，它就不會給出響應，從而允許非破壞性地數據讀取。但在制造較小尺寸的NAND閃存方面，至少面臨著兩種困難。首先，每個門只持有少數的電子，因此會導致其狀態(tài)很難被區(qū)分。其次，控制電極是如此之小(緊密)，以至于分布其上的存儲單元會受到影響，最終導致不可靠的數據讀寫。

而3D V-NAND閃存的"幾何學"就是，通過在垂直方向尋求空間，來彌補這個問題。第一個變化就是捕獲電荷陷阱的閃存幾何學，由AMD公司在2002年首創(chuàng)。在一個閃存單元的電荷陷阱內，存儲的電荷并不在浮柵上，而是處于一個嵌入式的氮化硅薄膜上。這種薄膜具有更強的抗點缺陷能力。它也可以被做得很厚，存儲更多的電子，從而對少量的電子損失不那么敏感。

第二個變化，就是把一個平面的電荷陷阱單元，做成圓柱形(如上圖所示)。增長的一大排V-NAND單元(本例中為1 vertical stack / 8cell)開始形成一個交變堆棧，導電(摻雜)了多晶硅曾(紅色區(qū)域)和中空的二氧化硅層(藍色區(qū)域)。

下一步則是腐蝕或形成一個通過這些曾的圓柱形孔。在實踐中，一個128Gbit的24層V-NAND芯片，其存儲單元的形成需要29億個這樣的孔。然后沉積出一個二氧化硅的保形層，罩住這些孔的內表面;隨之是一個類似的氮化硅層，以及第二個二氧化硅層。氮化硅是電荷俘獲層，二氧化硅層則是門和隧道介質。最后，孔的中心會被填滿導電的摻雜多晶硅，以形成存儲cell的通道。

三星公司現在已經開始為企業(yè)級用戶提供V-NAND固態(tài)硬盤的少部分產品，兩種容量分別為480GB及960GB，在寫入速度上已經比該公司早期的 SM843T型980GB固態(tài)硬盤提升了20%，而另一方面在功耗上則減少了40%。更重要的是，最新的3D垂直式存儲驅動的使用耐久度已經達到了 SM843T的10倍有余，而能夠滿足上一代SSD固態(tài)硬盤所無法應對的新類型應用，完全實現之前從來不可能實現的目標。不過目前依然還沒有任何全新3D 垂直面向大眾消費市場的上市時間及價格消息。