闪存新时代起点：三星3D V-NAND技术详解

三星这两年已经是全球最大的NAND供应商，不仅生产能力强大，技术实力也是顶级的。本月初宣布量产世界首款3D垂直闪存V-NAND，月中就有相关的企业级V-NAND闪存发布了。海力士、SanDisk、美光、东芝等其他NAND厂商也有各自的垂直闪存计划，但是量产时间三星已经走在了其他公司前列，快人一步就是竞争优势。

三星的V-NAND每个die容量都有128Gb（16GB），通过3D堆叠技术可以实现最多24层die堆叠，这意味着24层堆叠的总容量将达到384GB。此外，三星还宣布V-NAND闪存的写入速度及可靠性都有2倍以上的提高。
三星量产V-NAND垂直闪存意味着什么？他们是如何做到的？对整个NAND产业有什么样的影响？Anandtech网站对三星量产V-NAND闪存做了一番分析。
传统NAND的困境：容量要想提高，制程就越先进，可靠性和性能越低
自从2008年Intel的X25-M SSD进入市场之后，SSD的价格已经大幅下降了，当时80GB的SSD都要600美元，现在同样的价钱可以买三星或者美光的1TB SSD了。摩尔定律指导着电子产品的发展，晶体管越来越小，NAND密度越来越高，价格越来越便宜。
但是伴随晶体管越来越小的后果是NAND的可靠性及性能越来越低。就以IMFT过去几代的NAND产品的P/E次数及编程时间为例吧，看下图所示。

不同工艺下的闪存擦写次数及编程时间
50nm时代，P/E次数是10000次，编程时间只有900us，随着制程工艺的前进，P/E次数从1000次降到5000次再降到3000次，这还只是MLC的变化，要是TLC，P/E次数已经降低到了1000次了。
造成这个现象的根本原因是基本的物理特性。2bit MLC每cell单元储存2bit数据只可只需要一两打电子，3bit MLC（也就是TLC）的每个cell单元储存，随着NAND的缩小情况变得不同了，如果到了14/15/16nm阶段，情况会变得更加困难。

三星做了很萌的解释
测量存储单元中这些极微小的变化很困难，特别是当NAND cell单元越来越小、靠得越来越近的情况下。20nm工艺之后，cell单元之间的干扰现象更加严重，而在50nm工艺阶段，这些问题可以借助主控及优质的NAND缓解。现在我们已经看到了，SSD主控需要做更多的ECC及DSP类似的工作才能确保驱动器中的数据准确地读出/写入。
通过更先进的制程工艺制造传统的NAND之路很快就要走到头了，据说目前的工艺只能再持续一两代，之后再继续用这样的方式缩小cell单元就不可行了。
那么NAND未来的出路在哪？答案就是V-NAND，通过电荷撷取闪存（charge trap flash）技术制造的3D闪存。
三星V-NAND：不再缩小cell单元，堆叠更多层数
三星的V-NAND说起来就是不再追求缩小cell单元，而是通过3D堆叠技术封装更多cell单元，这样也可以达到容量增多的目的。

V-NAND原理
这种变化其实没有说起来这么简单。SSD中使用的是浮栅极MOSFET（Floating gate MOSFET），电子储存在栅极中，它相当于一个导体。这种晶体管的缺点就是写入数据时，栅极与沟道之间会形成一次短路，这会消耗栅极中的电荷，也就是说每次写入数据都要消耗一次栅极寿命，一旦栅极中的电荷没了，cell单元就相当于挂了，不能再存储数据。
三星的V-NAND闪存就放弃了传统的浮栅极MOSFET，改用自家的电荷撷取闪存（charge trap flash，简称CTF）设计。每个cell单元看起来更小了，但是里面的电荷是储存在一个绝缘层而非之前的导体上的，理论上是没有消耗的。这种看起来更小的电荷有很多优点，比如更高的可靠性、更小的体积，不过这些还只是其中的一部分。
使用CTF结构的V-NAND闪存被认为是一种非平面设计，绝缘体环绕沟道（channle），控制栅极又环绕着绝缘体层。这种3D结构设计提升了储存电荷的的物理区域，提高了性能和可靠性。
可靠性和性能提升是V-NAND闪存的一个方面，还有就是3D堆叠。由于三星已经可以垂直方向扩展NAND密度，那就没有继续缩小晶体管的压力了，所以三星可以使用相对更旧的工艺来生产V-NAND闪存，现在使用的是30nm级别的，介于30-39nm之间。
使用旧工艺的好处就是P/E擦写次数大幅提升，目前的19/20nm工艺MLC闪存的擦写次数普遍是3000次，三星的V-NAND闪存可达35000次，这也是三星说可靠性提升2-10倍的由来。
使用旧工艺甚至也没妨碍三星提高NAND密度，三星之前公布的V-NAND是128Gb核心的，目前主流19/20nm工艺的核心容量是64Gb，如果用传统工艺制造128Gb核心的NAND，那么工艺需要15nm。
更大容量的NAND有着更少的干扰，编程时间会更短，这意味着性能会提高。此外，更大容量的NAND的读写不需要那么多次的重试，因此总功耗也会更低。

三星在企业级市场上走出了V-NAND闪存第一步，不过目前使用的NAND还是128Gb的，因此容量上并没有什么惊人的，但是作者预测很快就会有全面的改善，只不过现在谈论相关产品的售价和发售有点过早了。
V-NAND：三星的未来

V-NAND闪存是三星的未来，我们可以看到V-NAND闪存出现在企业级、客户端级甚至移动市场（移动电话及平板）。尽管距离三星全面转向V-NAND闪存还有一段时间，但是明年就可以看到三星在多个市场领域转向V-NAND。

目前的128Gb核心NAND已经很好，不过这肯定不是终点，三星预计在2017年实现每核心1Tb，这都要归功于3D NAND。此外，理论上三星还可以使用更先进的制程工艺来提高储存密度，只是这样做也会面临传统二维NAND结构需要面对的难题。另外，目前的V-NAND还是2bit MLC，有需要的话三星还可以选择使用3bit MLC（TLC）来进一步提高储存密度。
其他的NAND厂商未来如何？作者认为那些不会转向CTF或者3D NAND的厂商可能会考虑其他的技术，比如resistive RAM（电阻式随机储存器），潜在的性能提升甚至会更高，也可以借助3D堆叠实现更高的储存密度。
最终对消费者利好的就是，我们未来可以看到SSD在储存密度、性能及可靠性上的改进。