存儲器大戰

幾年后，你攜帶的智能手機、平板電腦或筆記本電腦很可能配備數百GB、甚至數TB超高速存儲器，這要感謝存儲器領域近日取得的兩大進展。

首先，三星公司宣布如今它在批量生產3D垂直結構NAND（V-NAND）芯片；隨后，新興公司Crossbar表示，它已開發出了電阻式隨機訪問存儲器（RRAM）芯片的原型產品。

3D NAND拿來如今做在水平面上的閃存后，將它轉向一側。之后，就像微型存儲器摩天大樓一樣，并排堆放，形成密度大大提高的芯片，其寫入性能是如今2D即平面結構NAND的2倍，可靠性更是后者的10倍。

制造將數據存儲在平面結構NAND上的硅閃存單元的最密集工藝介于10～19nm這個尺寸之間。知道這個尺寸有多小嗎？人的頭發比采用25nm工藝技術制造的NAND閃存還要粗3000倍，1英寸相當于2500萬nm。

NAND閃存使用晶體管或捕獲電荷（又叫電荷捕獲閃存）技術，將一位數據存儲在一個硅單元中，而RRAM使用極小的導電細絲來連接硅層，從而表示一位數據：數字0或1。

在RRAM中，最上面一層硝酸硅形成一個導電電極，而下面一層是不導電的二氧化硅。兩個電極之間施加編程電壓后，上面那個電極的納米粒子就會在交換材料里面擴散，形成細絲；細絲接觸下面那個電極時，存儲器單元就可以導電。兩個電極之間施加反向電壓后，絲片就會被推回去，隨之消失。這時存儲器單元不導電。

哪種存儲器技術是贏家

這兩種存儲器中哪一種會在5年后稱霸非易失性存儲器市場，這是個未知數，因為專家們對于3D（或可堆疊式）NAND閃存能夠讓目前NAND閃存技術的壽命延長多少年莫衷一是。有些人表示，3D NAND閃存會超越三星目前的24層，將來會增加到100多層；另一些人則認為，這種存儲器的壽命只有兩三代，這意味著等它達到大概64層后，就會面臨瓶頸。

相比之下，RRAM一開始就具有優勢。它的密度大于NAND，有更高的性能和更久的耐用性。這意味著，RRAM能夠使用大小只有目前NAND閃存代工廠所用尺寸一半的硅晶片。據Crossbar首席執行官喬治·米納西安（George Minassian）聲稱，最棒的是，現有的閃存代工廠不需要改變設備就能生產RRAM。

米納西安說：“工廠想引入這項技術，我們計劃大概需要花費幾百萬美元的技術成本。這與引入一種新的NAND閃存節點的成本大致一樣高，比如從65nm節點改為45nm節點。”

Crossbar聲稱，其RRAM技術的延遲時間僅為30ns。三星的頂級閃存產品840 Pro SSD其延遲時間長達0.057ms。1ns是1/10億s——也就是說要快100萬倍。

據米納西安聲稱，RRAM本身經得住10000次寫入擦除周期，這比典型的消費級多層單元存儲（MLC）NAND閃存如今的周期要長一點——這還沒有任何糾錯碼（ECC）。ECC用來將現在的MLC NAND閃存升級到企業級閃存卡和固態硬盤（SSD）。

實際上，Crossbar預計兩年后RRAM芯片有望批量生產。米納西安表示，他公司已經與汽車行業的一家閃存代工廠簽署了一項協議，以生產這種芯片。他還表示與一家規模大得多的代工廠眼看就要簽署協議。

RRAM和3D NAND都預示著存儲器性能和存儲容量將迎來巨大的飛躍。較之今天的平面結構NAND閃存，Crossbar的RRAM有望提供20倍的寫入性能和10倍的耐用性。米納西安表示，與3D NAND一樣，RRAM存儲器芯片也將堆疊起來，1TB模塊的大小相當于存儲容量相似的NAND閃存模塊的一半。

3D NAND提供了更大的容量。每添加一層NAND閃存“摩天大樓”，容量就會翻番。三星表示，其V-NAND最初的存儲容量只從128GB到1TB，用于嵌入式系統和SSD，具體要看客戶需求。所以，三星似乎傾向于通過降低生產成本（每位價格），而不是提高存儲容量來推動V-NAND的銷量。

Crossbar最初的RRAM芯片也能夠存儲多達1TB數據，但是它在比一枚郵票還小的芯片上做到這一點。該存儲量相當于在200mm2的表面上存放長達250小時的高清電影。

說到性能，RRAM帶來了另一個優勢。如今，NAND閃存芯片的寫入速度約7MB/s。SSD和閃存卡通過并行使用多塊芯片，可以達到400MB/s的速度。

米納西安表示，RRAM芯片聲稱擁有140MB/s的寫入速度，而且不用并行連接多塊芯片就能達到。

3D NAND和RRAM都聲稱有望顯著提升性能，這意味著存儲設備將不再是現在這樣的系統瓶頸。在將來，瓶頸將是總線，即計算機部件之間的通信層。換句話說，如果NAND閃存是時速100 km/hr的汽車，RRAM是200 km/hr的汽車，要是它們行駛的道路有限速50 km/hr的彎道，它們能跑得多快并不重要。

據Crossbar聲稱，除了性能外，RRAM存儲數據所用的耗電量只有NAND閃存的一小部分，這意味著它有助于將電池續航時間延長到“數周、數月乃至數年”。

比如說，NAND閃存要求大約20V的電壓才能將一位數據寫入到硅芯片中。RRAM僅需3V電壓就能完成寫入操作。

并非只有Crossbar一家公司在研發RRAM。惠普和松下都已開發出了各自版本的電阻式存儲器，但是據Objective Analysis公司的首席分析師吉姆·漢迪（Jim Handy）聲稱，Crossbar比其他研發公司有更巨大的領先優勢。

他聲稱：這項技術一個非常大的優勢在于，選擇元件做入到存儲單元中。而其他RRAM不是這樣，所以就得植入外置元件（二極管或晶體管）。這個方面吸引了大量的研發資金，但是對其他許多技術而言仍是個棘手問題。

漢迪表示，RRAM替代技術市場很有限，因為閃存制造商往往使用效果還行而成本最低的技術，盡管其他技術提供了更好的性能。

RRAM有優勢

RRAM不是存儲器領域惟一有希望的進展。將來有望與NAND和DRAM競爭的其他種類的非易失性存儲器包括：Everspin公司的磁阻式RAM（MRAM）和相變存儲器（PCM），后者則是三星和美光力推的一種存儲器。另外還有賽道存儲器（Racetrack Memory）、石墨烯存儲器（Graphene Memory）和惠普自主開發的RRAM：憶阻器（Memristor）。

格雷格里·王（Gregory Wong）是調研公司Forward Insights的創始人兼首席分析師，他認為Crossbar的RRAM是一款可行的產品，有一天會叫板NAND，“我所說的NAND還意味著3D NAND。”他說。

賽道存儲器至少5年后才會變成可行的產品。王說：“眼下，這項技術看起來像是值得關注的概念。它最終會不會商業化，那是很遙遠的事情。”

王繼續說：“至于相變存儲器，現在已有一些產品。但問題是，它適合存儲器市場的哪個領域？眼下，它是NOR存儲器的替代品。它的性能和耐用性像NOR存儲器，而不是像NAND。”

他說：“其他廠商在大肆宣傳RRAM時，一般會受到懷疑，但是我們看了Crossbar及其技術后，卻覺得值得關注。”

漢迪也認為，采用硅制造的存儲器（比如Crossbar的RRAM）會繼續稱霸存儲器市場，因為代工廠已經擁有使用硅的生產裝備，而硅是一種成本低廉的材料。

漢迪說：“在很長時間內，硅較之更新穎的材料會繼續保持主導地位。像Crossbar的這些技術會扮演小眾角色，直到3D NAND氣數已盡。目前看來，在2D NAND消亡后，3D NAND還有兩三代的壽命，而2D NAND工藝再過兩三代就將壽終正寢。”

NAND閃存工藝技術一直以來，每隔12個月左右就取得重大進展。比如說，英特爾將由生產19nm工藝節點改為生產14nm節點。這意味著，19nm工藝兩三年后可能會被更新換代。

不過不是所有人都認為3D NAND的壽命如此有限。吉爾·李（Gill Lee）是應用材料公司（Applied Materials）的高級主管兼技術骨干。他認為，3D NAND可能會發展到深度超過100層。應用材料公司專業提供半導體行業生產NAND閃存和RRAM所需的設備。他說：“改用3D讓NAND技術得以繼續相應縮減尺寸。它能走多遠？我認為它能走得相當遠。”

李表示，他已經看到過代工廠準備將3D NAND發展到128對或128層的路線圖。李表示，第一代3D NAND深24層，緊跟在不到20nm節點2D NAND的后面，但由于密度更高，3D NAND有望將生產存儲器的每位成本降低30%左右。

他補充說，至于消費者會看到密度更大的NAND閃存，還是代工廠僅僅會繼續生產成本較低、容量相同的存儲器，那將取決于這個行業。

-沈建苗編譯