全球存儲市場對高密度 NAND 閃存的需求不斷增長。目前，這一需求已通過許多發展得到滿足，不僅體現在當今閃存控制器的功能上，而且尤其是在過去十年中一直處于存儲討論和發展中心的 3D NAND 架構。

隨著工業物聯網 (IIoT)、智能工廠、自動駕駛汽車和其他數據密集型應用程序的不斷發展，這些苛刻應用程序的數據存儲要求變得更具挑戰性。雖然與傳統 HDD 相比仍然存在價格溢價，但 3D 架構的發展正在將閃存存儲帶入更廣泛的市場，因為它更具可擴展性并且變得更實惠。

3D 技術：浮柵與電荷陷阱技術

自 1980 年代在 SLC 閃存的 2D 平面景觀中出現以來，閃存驅動器一直在使用?浮柵技術。3D 技術將事物帶入了第三維度，并帶來了新的挑戰和對電荷陷阱等編程技術的回歸，供應商開始重新考慮用于企業級 SSD。雖然大多數 3D 制造商現在已經轉向電荷陷阱技術以實現更好的耐用性和可擴展性，但平面技術仍然主要使用浮柵技術來存儲數據。

有人認為，基于電荷陷阱技術的 NAND 閃存不太容易受到損壞和泄漏的物理影響。這直接影響驅動器上的錯誤率和剩余編程/擦除 (P/E) 周期等方面。然而，電荷陷阱也面臨著數據保留方面的挑戰，尤其是在較高溫度下，這在汽車領域中是一個重大問題，因為承受較高溫度是質量要求。

浮柵簡圖

電荷陷阱的簡單示意圖（來源：東芝）

無論是電荷陷阱還是浮柵技術，從任何給定主機系統發送到 NAND 閃存的數據都需要由閃存控制器管理。這就是為什么高度可靠的控制器是高性能系統不可或缺的一部分。3D 架構為高密度閃存開辟了道路，但基于該技術的存儲應用現在對更高水平的可靠性和數據保留的需求越來越大，只有通過高端控制器才能實現。歸根結底，閃存控制器的選擇是實現更高耐用性和壽命的關鍵。

為什么選擇 3D 技術：縮放的經濟學

一種明顯的解決方案是使存儲單元更小。閃存已經從 120 nm 制造工藝發展到今天使用的 14 或 15 nm 工藝。這種縮放使容量增加了大約 100 倍（因此降低了每比特成本）。但是，我們正在達到半導體工藝的縮放極限。

另一種方法是在每個存儲單元中存儲更多的數據位。最初的單級單元變成了多級單元 (MLC)，它在每個單元中存儲了四個不同級別的電荷，相當于兩個數據位。從那時起，閃存被設計為在每個單元中存儲三位（三級單元，TLC）和四位（四級單元，QLC）。這種方法存在一些問題：需要更精確地控制和測量存儲的電荷，這使得讀取和寫入速度稍慢且更容易出錯。然而，密度的增加和每比特成本的相應降低使得它在某些應用中是值得的。

為了滿足提高存儲密度的需求，閃存制造商現在已經進入第三維度。在 3D 架構中，構建多層存儲單元以在硅中創建 3D 結構。這樣可以為相同的表面積提供更多的存儲空間。3D 架構是通過在硅片中垂直構建單元層來制造的。這需要更復雜的制造工藝，但可以大大提高存儲密度，并避免與較小特征尺寸相關的問題。

3D flash示意圖（來源：東芝）

重要的是要承認，更復雜的制造過程不僅僅被存儲密度的增加所抵消。例如，即使該工藝使晶圓成本翻倍，將存儲密度提高 10 倍或 100 倍也會導致每比特成本顯著降低。

未來是什么樣子的

當前的 3D 架構使用多達 176 層。盡管目前似乎對層數沒有任何硬性物理限制，但要遠遠超出這個范圍，可能需要結合不同的開發方法將 3D 裸片堆疊在一起。最近的文章討論了行業領導者計劃在晶圓工藝中堆疊兩個 128 層以實現 256 層。

過去十年中 3D 架構的發展使大容量閃存驅動器在全球范圍內更容易實現。盡管這項技術在性能、壽命和使更高密度電池（TLC、QLC）更可靠的能力方面帶來了許多好處，但它也與復雜且極其昂貴的制造工藝相結合。

結論

雖然這些制造工藝已經被存儲密度的增加所抵消，但向更高密度單元結構的轉變使得對更高質量閃存控制器的需求在實現存儲系統中所選 NAND 閃存的全部潛力方面更加不可或缺。當考慮到整個數據存儲領域中截然不同的用例時，這一概括性陳述就更加相關：從移動設備中的消費級 eMMC 到服務器場中的高性能 SSD，再到工業自動化工廠中的安全驅動 PLC。每個用例都有不同的需求，為了更好地了解 3D NAND 閃存如何使存儲系統受益，我們建議與閃存控制器供應商聯系，他們可以詳細解釋這一點。

審核編輯 黃昊宇