[图]提速增量降能耗:三星3D闪存开始进入量产阶段

2014年06月27日 作者:糖悦之果飞

三星已经宣布了其将量产采用新一代3D垂直闪存(V-NAND)的固态硬盘驱动器。与传统的NAND存储芯片相比,V-NAND闪存的读写速度都要快上1倍、使用寿命达10倍、而能耗亦少了50%。目前,3D芯片所能提供的存储密度,仍与传统的2D结构相同。但在2D结构遇到发展瓶颈时,3D结构就能够更多数量级的额外存储密度。

节能的同时,3D V-NAND Flash的存取速度,比传统的NAND芯片都要快上两倍

闪存是二十一世纪的奇迹故事之一。虽然它在1980年就已被发明出,但直到1990年代中期投放到市场,它的存储密度仍只有20MB。不过,这20年来,闪存已经多次追逐甚至超越了摩尔定律,其容量已经达到了最初的3万倍。

场效应晶体管与NAND flash存储单元的对比

最新的NAND Flash采用了10纳米的的光刻工艺,并且开始遇到一些物理上的麻烦。一个NAND闪存,就是一个浮栅晶体管(floating-gate transistor),而一个绝缘栅层能够存储电荷很长的时间。

而存储器的读取,则是通过门控脉冲测量设备通道的导通性来实现的。如果没有存储电荷,存储单元就会给出一个响应;而如果存储了电荷,它就不会给出响应,从而允许非破坏性地数据读取。

但在制造较小尺寸的NAND闪存方面,至少面临着两种困难。首先,每个门只持有少数的电子,因此会导致其状态很难被区分。其次,控制电极是如此之小(紧密),以至于分布其上的存储单元会受到影响,最终导致不可靠的数据读写。

3D NAND Flash的横截面示意图

而3D V-NAND闪存的"几何学"就是,通过在垂直方向寻求空间,来弥补这个问题。第一个变化就是捕获电荷陷阱的闪存几何学,由AMD在2002年首创。

在一个闪存单元的电荷陷阱内,存储的电荷并不在浮栅上,而是处于一个嵌入式的氮化硅薄膜上。这种薄膜具有更强的抗点缺陷(point defects)能力。它也可以被做得很厚,存储更多的电子,从而对少量的电子损失不那么敏感。

第二个变化,就是把一个平面的电荷陷阱单元,做成圆柱形(如上图所示)。增长的一大排V-NAND单元(本例中为1 vertical stack / 8cell)开始形成一个交变堆栈,导电(掺杂)了多晶硅曾(红色区域)和中空的二氧化硅层(蓝色区域)。

下一步则是腐蚀或形成一个通过这些曾的圆柱形孔。在实践中,一个128Gbit的24层V-NAND芯片,其存储单元的形成需要29亿个这样的孔。然后沉积出一个二氧化硅的保形层,罩住这些孔的内表面;随之是一个类似的氮化硅层,以及第二个二氧化硅层。

氮化硅是电荷俘获层,二氧化硅层则是门和隧道介质。最后,孔的中心会被填满导电的(掺杂)多晶硅,以形成存储cell的通道。

闪存驱动器的内部结构

三星现在有为企业应用提供V-NAND固态驱动器的样品,容量在480GB和960GB,写入速度比三星早期的SM843T 980GB SSD快上20%,而功耗则下降了约40%。

更重要的是,3D驱动器的耐久度是SM843T的10余倍,能够开辟出上一代SSD所不能胜任的新应用。目前没有任何有关新SSD将于何时面向大众上市的消息。

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