144層堆疊閃存投入使用 英特爾最新NANDSSD產品與技術解析

張平 袁怡男

英特爾將旗下NAND閃存業務出售給SK海力士無疑是2020年底業內影響最大的消息之一。一直以來，英特爾在存儲產業上都占據著相當重要的地位，無論是NAND產品還是傲騰產品，英特爾的競爭優勢都是非常出色的。考慮到英特爾近年來的發展狀況、人事變動以及在產品和生產線方面的調整，出售NAND從而專精于計算產業，應該是英特爾考慮長遠后做出的慎重決策。作為一個獨立的部門，無論是在英特爾還是未來交由SK海力士運營，英特爾的NAND部門依舊擁有業內一流的影響力和技術研發能力。為了進一步說明有關英特爾出售NAND部門后的一些變化以及NAND部門自己在技術和產品上的新進展，2021年4月，英特爾在上海召開了NAND產品技術溝通會議，就這些內容做出了詳細的解釋，并給出了一些新的技術路線圖和最新的產品信息。

英特爾NAND部門未來的一些變化

首先英特爾在會議.上表示，NAND部門從英特爾并入到SK海力士目前分為兩個階段。第一個階段的時間節點是2021年底，包括NAND SSD相關知識產權和銷售、市場等團隊和員工;第二個階段，預計在2025年3月份最終交割時， SK海力士將支付20億美元余款，并從英特爾收購其余相關資產，包括NAND閃存晶圓的生產及設計相關的知識產權、研發人員以及大連工廠的員工。

據悉，在并入SK海力士后，英特爾NAND業務部分會依舊維持目前全球運營的模式，并將繼續之前對客戶的承諾，同時不斷推動行業領先的存儲與解決方案創新和落地。

30年的經驗：面向企業級的NAND產品

從歷史來看，英特爾在閃存發展上是非常有沉淀的。從商業角度來看的話，英特爾和三星、SK海力士等廠商不同的是，英特爾的發展重點并不是消費級市場，而是企業級市場，英特爾的存儲產業專注數據中心客戶端與部分消費級市場，完全不介入移動端市場。這也是英特爾后期專注于浮柵技術的原因之一，因為英特爾認為，相比其他的技術路線，浮柵技術能夠更好地在企業級市場中發揮作用。

在這種市場目標之下，英特爾劃分了內存和存儲層級結構，也就是我們日常看到的存儲金字塔架構。在塔頂端的是CPU緩存，接下來是內存。其中內存的容量一般為10GB級，其延遲小于0.1微秒。在一般的PC系統中，內存后會跟著使用NAND閃存，其容量一般為10TB級，延遲小于100微秒。但是英特爾在這里加入了2個層級，分別是傲騰持久內存和傲騰存儲。其中前者的容量為大約100GB級，延遲為小于1微秒，后者的容量為TB級，延遲小于10微秒。新加入的兩個層級很好地彌補了內存到NAND閃存之間存在的巨大延遲鴻溝（從0.1微秒級別直接提升至100微秒級別），形成了比較均衡和平滑的存儲等級陣列。從內存到傲騰內存、傲騰存儲、NAND SSD，延遲等級分別為小于0.1微秒、小于1微秒、小于10微秒、小于100微秒，每一個等級都以一個數量級的方式向下延伸，很好地降低了系統延遲。

通過英特爾給出的這個存儲層級金字塔，我們可以看出，存儲系統在不同的層級除了各自的性能參數外，還有各自的市場目標。比如內存就是需要高速度和高穩定性，目前對其非易失性等沒有要求。傲騰內存就是通過非易失性特性和高速度來彌補內存在某些場合下的不足。接下來，傲騰存儲提供的是更高速度的存儲性能，其容量相對較大，適合于經常使用的熱數據存儲。在更次一級的3D NAND SSD等級，因為前期的性能要求都已經被基本釋放完成。所以在這個等級人們需要更高效率、更大容量和更為耐久的存儲設備。

因此，如何生產更為高效、大容量和耐久的存儲設備就是英特爾的研發重點。在這里，英特爾認為，浮柵（float gate）技術生產的NAND產品，可以兼顧這幾個特點。首先是英特爾對閃存技術有持續30年的投資，形成了非常穩定和牢固的技術體系。其次是采用浮柵搭配CMOS技術可以實現目前最高的NAND面密度，也可以搭配QLC技術實現每單元容量的提升。第三則是可靠性方面，英特爾認為自己的垂直浮柵單元是專門為高可靠性設計的，并且從64層TLC到144層QLC，英特爾采用的可靠的單元設計也可以使得耐久性實現跨代提升。

在產品方面，英特爾給出了2021年重點推廣的一些產品，包括面向企業級服務器的英特爾D7-P5500和D7-P5600 （2020年已發售），新的采用144層QLC技術面向云存儲的DP-P5510以及同樣采用144層QLC面向溫存儲的D5-P5316，用于傳統服務器應用的144層TLC產品D3-S4520、D3-S4620。在消費級產品方面，英特爾推出了英特爾660p和采用144層QLC技術的英特爾670p。我們在后文還對這些產品和技術有更深入的解釋。

浮柵技術：英特爾在NAND上的堅持和專注

英特爾在非易失性存儲設備上是有很久的研發歷史的。根據英特爾的介紹，從1985年開始英特爾就開始介入非易失性閃存的開發，從1985年到2004年，英特爾推出了數代NOR閃存。2005年開始介入NAND閃存，從平面時代開始，生產工藝從65nm一直進步至16nm，然后轉型推出3D NAND，層數從32層起步，包括32層TLC、64層TLC一直到2018年的64層QLC、96層TLC以及現在最新的144層QLC或TLC產品。

在過往的所有開發歷程中，英特爾一直專注于浮柵技術，即使是在同行轉移至電荷陷阱技術之后，英特爾依舊在浮柵技術上持續發力。那么，什么是浮柵技術呢？

所謂浮柵技術，是指Float GateMOSFET，簡稱FGMOS，也被稱為浮動柵極管或者浮柵晶體管，它是金屬氧化物半導體場效應晶體管的一種類型。FGMOS的最大的特點在于，柵極首先采用絕緣物質和底層隔離，就像漂浮在硅底層之上一樣，因此被稱為浮柵。其他的一些次級柵極或者控制柵極被沉積在浮柵之上，也通過絕緣材料與之隔離。由于浮柵在上方、下方都被絕緣材料所阻隔，因此存在其中的電荷能夠在很長一段時間內保持不變。當人們在浮柵上級的控制柵極施加電壓后，由于量子隧道效應，電子可以通過絕緣層進入浮柵中并被存儲起來，在施加反向電壓后，電荷又可以流出，控制極為方便。

浮柵技術出現后，由于其存儲電荷和操控電荷的特性，很快就被應用在數據存儲中。不過浮柵技術也并非沒有缺點。隨著制造工藝不斷縮小，在10nm左右，浮柵技術所使用的MOSFET中起到絕緣作用的隧道氧化層已經變得很薄了，考慮到類似的物質耐久性是有限的，大約每厘米1000萬伏特，因此在10nm左右的微縮工藝下，浮柵大約只能忍受約10V左右的電壓就會被擊穿，在這種情況下，電壓和電場的存在，以及電子持續量子隧道效應進出，會破壞絕緣物質氧化物中的原子鍵，并降低絕緣物質的絕緣能力。這個過程被稱為“磨損”。降低了絕緣性的隧道氧化層，會導致電子從浮柵中泄露出來，從而降低浮柵類型的MOSFET存儲數據和表示電壓的能力。

由于浮柵技術存在一些缺陷（并非不能改進），因此三星、SK海力士等廠商選擇了另外一條技術路線來實現自己的多層堆疊NAND的生產，這種技術被稱為電荷陷阱（Chargetrap flash，簡稱CTF）。從基本架構來看，電荷陷阱技術是浮柵技術基于材料的改進，其最大的特點在于將傳統浮柵MOSFET技術中制造浮柵使用的摻雜多晶硅改成了氮化硅膜。相比摻雜多晶硅這種接近于導體的材料，氮化硅膜更接近于絕緣體，因此電子流入空穴后會持續停滯在里面。三星在介紹電荷陷阱技術的時候，將傳統浮柵比喻為“水”，將絕緣層比喻為裝水的“盒子”，當“盒子”被磨損的時候，“水”就會流出。相比之下，三星將電荷陷阱技術的氮化硅膜比喻為“奶酪”，當電子進入“奶酪”后，就被基本固定在其中，即使“奶酪”邊緣的絕緣層破損，那也只有邊緣部分的電子流失，大部分電子還是老老實實待在“奶酪”中，持續釋放自己的電場。電荷陷阱技術在一定程度上解決了浮柵技術的隧道氧化層磨損問題，同時還帶來了一些別的優點，比如制造工藝更簡單，存儲單元的間距可以更小一些，隧道氧化層磨損速度更低、產能更高等。不過電荷陷阱技術也并非十全十美，由于其結構和材料問題，電荷陷阱技術制造的NAND顆粒，相比傳統的浮柵NAND顆粒，在抗讀取干擾、長期斷電數據保存以及最受人關注的高溫下存儲耐久性方面存在顯著劣勢。

在了解了有關浮柵、電荷陷阱技術的差異之后，可以看出，考慮到客戶主要面向企業級用戶，英特爾持續采用浮柵技術是有道理的。從英特爾給出的存儲金字塔來看，NAND在存儲中處于比較靠后的位置，大量的熱數據不會存儲在NAND中，而是由傲騰接管，這樣一來，NAND中存儲的數據應該是大量溫數據甚至冷數據，這部分數據在很長的時間內可能都不會讀寫，因此對存儲穩定性是有比較高的要求。另外，在抗讀取干擾和高溫下存儲耐久性方面，浮柵技術都相對電荷陷阱技術有一定的優勢，更適合企業級用戶使用。

那么，浮柵技術的磨損又如何改進呢？在前文中提到浮柵技術的磨損主要來自越來越先進的制造工藝帶來的越來越薄的隧道氧化層，其解決問題也很簡單，使用線寬較寬的工藝，同時在制造中對隧道氧化層給予一定程度的改善即可。英特爾在發布會中提到，他們使用的工藝“要比10nm寬很多”，并且對閃存產品來說，工藝寬度在目前并不是最重要的，因為還有更多的方法可以提高存儲密度。

持續改進的浮柵技術：最高面密度和高可靠性

在發布會上，英特爾提到了自己的產品具有最高的面密度，并且能夠實現最好的經濟效益。英特爾介紹了一些比較重要的提升存儲密度的技術，比如改善結構，使用更小的浮柵單元、使用CuA技術也就是陣列下CMOS，這個技術將NAND的控制電路部分放置在存儲陣列的正下方，從而騰出更多的空間來給存儲單元，實現更高的存儲密度。其他的一些關鍵技術還包括采用更多的堆疊層數，比如144層堆疊，在數據存儲方式上采用QLC，也就是每個浮柵存儲4bit數據，相比之前的3bit又帶來了比較大的存儲密度增長。

具體到詳細對比方面，英特爾使用了美光的置換柵極技術予以對比。美光的置換柵極技術實際上也是針對浮柵技術的結構進行了調整，根據美光的描述，傳統的浮柵技術中，通過絕緣體將每個單元分開，這帶來了單元之間的電容效應。因此，美光采用的置換柵極技術將多個單元構建為一個絕緣體結構，消除了單元間的電容，還可以提高耐久性、功率和性能。不過美光暫時沒有給出可量化的參考數據。英特爾在這里提出，自己的浮柵技術由于結構比較簡單，因此數據存儲密度更高一些，此外CuA技術的應用也減少了單元所占的面積。英特爾給出的數據是，他們的技術能夠帶來最多10%的面密度提升，以及每片晶圓更高的每GB存儲量。

另外，英特爾還給出了垂直浮柵單元的一些技術細節，并繼續對比了替換柵極技術的優劣。英特爾提到，他們的浮動柵極技術擁有良好的編程/擦除閾值電壓窗口，各個存儲單元之間也有良好的電荷隔離/保留，更適合高密度裸片/驅動器。相比之下，替換柵極技術需要不斷地對抗漏電和單元之間的干擾，因此更適合低密度的裸片或者驅動器，性能密度也比較低。另外，英特爾的垂直浮柵閃存單元采用了離散單元隔離的方式，能夠將跨單元的干擾風險降低至最低——有意思的是，美光在這里認為離散的單元帶來了電容效應，目前尚不清楚這里英特爾是否有額外處理。英特爾還特別提到，自己產品的垂直單元中的電子數量提高了6倍，控制能力也得以大大提升。

在壽命方面，英特爾給出了一個數據示意圖，浮柵對比電荷陷阱技術在0天、2天、5年后的總讀取窗口，所謂讀取窗口，是指在數據存儲時，不同狀態下的信號之間的差異度。比如MLC一次存儲2bit數據，那么就擁有4種狀態，這4種狀態之間的差異就是讀取窗口，較低的讀取窗口會導致數據難以讀出。可以看出，電荷陷阱技術在5年后的數據讀取是遠低于浮柵技術的，這對很多冷存儲數據的企業來說是至關重要的，因此數據中心和企業級存儲選擇浮柵技術的英特爾產品可能會更有優勢。

在發布會上，英特爾還對有關NAND閃存的制造過程做了一些解釋。比如英特爾提到，目前閃存最重要的問題并不是光刻工藝，而是刻蝕工藝。正如前文提到的那樣，更先進、線寬更窄的光刻技術對NAND實際上并未起到更好的作用，尤其是在壽命、電子容量方面，在TLC、QLC這種多電壓狀態下，電子容量更是非常重要，因此英特爾雖然沒有明確提及工藝線寬，但是可能會采用32nm/28nm級別的工藝制造，甚至更寬。在刻蝕方面，英特爾明確體積刻蝕過程主導了目前的3D NAND制造，其制造速度慢、精度要求高，英特爾舉了個例子：目前的刻蝕工藝是要求人們從埃菲爾鐵塔頂上丟一個球下去，確保這個球和目標之間的偏移度是厘米級別的，因此目前英特爾的144層NAND，是通過3個48層的顆粒堆疊起來，形成144層NAND，在數據存儲模式上采用的QLC。具體到產品上，英特爾在發布會上詳細介紹了有關D5-P531 6的內容。這款SSD是英特爾推出的144層QLC產品中最新的型號。D5-P5316采用PCIe 4.0接口，最高讀取速度高達7GB/s，相比第一代QLC產品讀取延遲降低了48%，耐久性提高了5倍。它的4K隨機讀取為800K、64K隨機寫入為最高510MBps，128KB隨機讀/寫為最高7000MB/s和3600MB/s， 4K隨機QD1的讀寫延遲為120微秒和180微秒，支持U.2接口或者E1.L接口，容量分別為15.36TB和30.72TB兩種，非常適合數據中心使用。

在功能方面，D5-P5316支持NVMe的相關功能，比如熱插拔、內監測、外監測、數據日志等，其預期年化故障率低于0.44%，支持端到端數據保護，支持斷電保護，數據可靠性方面則擁有業內最高的總體讀取窗口等。在使用場景方面，英特爾也給出了一些解釋，比如云存儲（可能需要配合傲騰）、高性能計算、CND、大數據等場合都是非常符合D5-P5316的設計和基本特性的。另外，由于D5-P5316的數據存儲密度非常高，英特爾給出的數據是1U機架內就可以存儲1PB數據，空間可以減少最多20倍。

總的來看，作為一個在存儲業界摸爬滾打30多年的廠商，英特爾存儲產品在技術、規格和性能上依舊是非常出色的，尤其是它根據企業及市場的特性和要求，量身定做地推出了大量新的產品和技術，推動了企業級存儲的發展。希望未來（原）英特爾的NAND部門，能夠在新東家和新的商業環境下越來越好，給消費者和企業級用戶帶來更多的創新技術和高品質產品。