NAND閃存 前途有隱憂

由于光刻技術等生產工藝方面的限制，使得SSD的最主要部件NAND閃存在進一步提高存儲密度、保證可靠性和讀寫性能方面面臨著難題。研究人員正在設法克服這些障礙，同時也在研發電阻式隨機存儲和相變存儲等替代性的新存儲技術。

SSD(Solid State Disk))是一種被普遍看好的存儲介質。由于具備數據讀取速度快、省電、體積小、重量輕、耐沖擊等諸多優點，越來越多的個人計算機開始采用這種新的存儲設備，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，也有一些上網本選用了SSD。不僅如此，SSD已經從消費產品進入企業級，在數據中心找到了自己的位置。業內人士普遍預測，隨著SSD大規模量產，價格進一步降低，SSD的普及指日可待。不過，在另外一些業內人士看來，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，由于光刻技術以及成本方面的原因，NAND閃存無法繼續縮小尺寸，同時保證現有的性能。

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25納米的NAND閃存，在此前投入量產的最先進的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。

“我認為，NAND閃存可能不再是主流的存儲介質，在未來的4～5年時間內，就可能成為事實。”市場研究機構Forward Insight公司的閃存分析師Gregory Wong表示，“人們正在尋找替代技術。”

最近幾年來，NAND閃存一直是推動存儲技術發展的一個重要推動力，其普及態勢銳不可當。iSuppli公司預測，全球閃存卡出貨量將從現在的5.3億萬片上升到2013年的95億片，市場規模達到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。

盡管東芝及其合作伙伴SanDisk有計劃在2010年下半年開始投產20納米的 NAND閃存，不過， IMFT所采用的25納米光刻技術仍是目前最先進的NAND生產工藝。有關專家對這種光刻技術到底能達到多小的尺寸持謹慎態度，因為尺寸變小后面臨著如何讓閃存依然可靠這個難題。而另一方面，采用更精細的光刻技術又非常重要，因為這意味者同樣大小的晶圓上能刻出更多的晶體管，也能保存更多的數據。

“采用更精細的光刻技術難度在于，要保持與以前的產品一樣的性能。”Intel公司NAND市場總監Troy Winslow說，“目前這一代生產工藝該難題還能克服，但是就未來兩到3代的生產工藝而言，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目前的光刻技術已經達到了原子級。光刻技術是一種用硅材料生產晶格和晶體管的工藝，這些晶格和晶體管用來保存數據位，它們越小意味著單片的NAND閃存能存儲的數據越多。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絲的1/3000。而當晶格大小達到這一級別時，晶格內部的電氣干擾就會成為難以逾越的障礙。

iSuppli的內存與存儲部門高級分析師Michael Yang認為，就NAND閃存生產而言，20納米是光刻技術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。”

另外，隨著閃存生產工藝的進步，每一代閃存存儲單元中的電子數量都比上一代產品中的少，如何讓存儲單元繼續可靠地保存數據也越來越難了。以在消費類產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數據向3～4個比特數據過渡的過程。保存的數據位數增加意味著在控制級進行的編程工作量增加，因為為了確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，因為每個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據的位數并不總是最佳辦法，因為隨著光刻技術越來越精細，位錯誤發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，而糾錯就意味著數據讀取延遲。在IMFT發布它的25納米NAND閃存時，其公司發言人就表示，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位比特數據的MLC NAND閃存的生產。去年8月，IMFT宣布采用34納米的光刻技術生產這種NAND閃存，從而將閃存體積縮小11%。

“每存儲單元保存3位其最大的技術挑戰在于，難于在保證閃存的性能、可靠性的同時，又不增加太多生產成本。”美光公司NAND市場總監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)被認為是繼NAND閃存后的下一代存儲技術。相變存儲也是一種非易失性的存儲技術，當沒有信息讀取或者寫入的時候，沒有能源消耗，因此很節能。而且，相變存儲設備的可寫入次數要遠遠高于NAND閃存。現在的NAND閃存可寫入次數大約在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，這些半導體能夠通過加熱工藝從一種相位轉變到另一個相位，從而擦除任何數據，由于在寫入數據之前不需要擦除此前保存的數據，因此，相變存儲的寫入性能要遠遠高于NAND。

意法半導體和英特爾的合資公司Numonyx已經制造出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，目前業界認為相變存儲未來可以突破20納米，最小達到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名為電阻式讀取存儲介質(RRAM)的技術。這種產品沒有采用傳統的硅作為電阻材料，而是采用了硅中的細絲或者導電通路。與其他非易失性存儲介質相比，RRAM更有優勢，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，也就是說，這是一項有望縮小存儲設備尺寸的技術。

其他技術還包括Charge trap flash。不過，總體來說，這些新的存儲技術都還處在研究過程中，與NAND閃存相比，其技術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，芯片制造業是一個創新能力很強的產業，我們相信，未來的存儲設備一定會繼續沿著性能更高、體積更小、成本降低的方向向前發展的。