3D V—NAND技術(shù) SSD容量翻番的絕世必殺

SSD存儲容量的逆襲

在很多用戶的印象中，SDD就是高速度與低容量的矛盾體，并始終堅(jiān)信HDD將永遠(yuǎn)保持容量上的優(yōu)勢。然而，三星卻在2015年8月推出了容量高達(dá)3.84TB的企業(yè)級SSD：PM1633（圖1）。這并不是結(jié)束，三星還將四塊PM1633塞進(jìn)了一個(gè)2.5英寸的空間內(nèi)（三星將其命名為PM1633a），創(chuàng)造了15.36TB“恐怖”容量的歷史。雖然PM1633a的厚度是普通2.5英寸SSD的2倍，但也足以印證一點(diǎn)：SSD容量翻身的時(shí)代即將到來。

提升SSD容量的兩條路

我們都知道，傳統(tǒng)HDD擴(kuò)容只有兩條路，提升單碟容量或塞進(jìn)更多碟片，而SSD的擴(kuò)容之路與HDD也是極為相似。將SSD硬盤的外殼剝開（圖2），我們可以看到PCB主板上鑲嵌著包括主控、緩存和NAND在內(nèi)的無數(shù)芯片，而單顆NAND閃存芯片的容量（類似HDD的單碟容量），以及NAND閃存芯片的數(shù)量（類似HDD的碟片數(shù)量），就是決定SSD硬盤容量的關(guān)鍵所在了。

問題來了，SSD硬盤主要以2.5英寸（筆記本硬盤形態(tài)）、mSATA和M.2三類為主，它們的PCB主板尺寸固定，這意味著它們所能容納的最大NAND閃存芯片數(shù)量也是固定的。特別是對于像42mm長度的M.2 SSD硬盤來說，它們普遍僅能承載1～2顆NAND芯片（圖3）。因此，如何提高單NAND閃存芯片的容量，才是SSD未來發(fā)展的王道。

傳統(tǒng)2D NAND技術(shù)的局限性

對CPU而言，其內(nèi)含晶體管的數(shù)量就等同于性能，想在單位面積里塞進(jìn)更多的晶體管，唯一的方法就是提高制程工藝。以英特爾為例，其CPU制程工藝剛剛實(shí)現(xiàn)從22nm向14nm的跨越，于是才換來了更低的功耗與更強(qiáng)的性能。

我們可以將NAND閃存理解為CPU，其存儲密度（邏輯單元的尺寸）就等同于晶體管數(shù)量，制程工藝越先進(jìn)，存儲密度也就越高，同時(shí)也意味著單NAND閃存芯片的容量越大。問題來了，再先進(jìn)的制程工藝在單位面積下的存儲密度也是存在極限的。此外，傳統(tǒng)2D NAND閃存都采用了浮柵極MOSFET結(jié)構(gòu)，制程越先進(jìn)（存儲密度越高），相鄰存儲單元格的電荷相互干擾也就越嚴(yán)重，導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理時(shí)的錯(cuò)誤率增高、芯片可擦寫次數(shù)（使用壽命）驟降等嚴(yán)重隱患。

用房地產(chǎn)理論可以幫我們更好地理解上述現(xiàn)象。房產(chǎn)項(xiàng)目占地面積就是單NAND芯片的表面積，存儲密度就是每戶之間的距離，而2D NAND閃存只允許開發(fā)商蓋一層的平房。開發(fā)商要想建出更多房屋，就必須減小每棟房屋的面積并犧牲間距（升級制程提高存儲密度）……當(dāng)你與鄰居被“擠”在一起過上“蝸居”的生活后，各種鄰里糾紛和沖突的現(xiàn)象自然也會(huì)不斷升級（圖4），生活品質(zhì)和周邊環(huán)境將難以保證。

1TB版的850Pro SSD僅由8顆NAND內(nèi)存芯片組成

此時(shí)如果你是開發(fā)商，將如何解決上述困局？沒錯(cuò)，就是提高開發(fā)資質(zhì)，將房產(chǎn)項(xiàng)目的平房都改建為摩天大廈（圖5）！

搬上大廈的3D V-NAND技術(shù)

三星是最早想到這個(gè)方法的“開發(fā)商”之一，并推出了相應(yīng)的“3D V-NAND”技術(shù)。簡單來說，3D V-NAND是由“3D”（3D化）和V（垂直堆疊化）兩個(gè)部分構(gòu)成。其中，3D化指的是NAND從傳統(tǒng)的浮柵極MOSFET結(jié)構(gòu)改為了電荷擷取閃存CTF結(jié)構(gòu)，這是一種非平面設(shè)計(jì)，用控制柵極和絕緣層將MOSFET環(huán)形包裹起來，不僅提升了儲存電荷的物理區(qū)域，更提高了NAND的性能和可靠性。

垂直堆疊化就更好理解了。3D V-NAND閃存芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)就好似蓋樓房，它允許開發(fā)商通過從高層向低層穿孔以連接電極的蝕刻技術(shù)將無數(shù)間平房“堆疊”在一起并統(tǒng)一封裝。換句話說，一顆3D V-NAND閃存芯片是由多層2D NAND閃存芯片摞在一起構(gòu)成，而它的最終容量取決于堆疊的層數(shù)和閃存類型（TLC或MLC，TLC容量更高）。目前，三星已經(jīng)量產(chǎn)了應(yīng)用于SSD領(lǐng)域的48層3bit MLC 256Gb 3D V-NAND閃存芯片，如果用這樣的顆粒做SSD的話，M.2規(guī)格就能做到3.5TB，2.5英寸SSD可輕松突破10TB大關(guān)！

遺憾的是，TB級別的SSD目前還是僅限于企業(yè)級用戶，比如前文提到的三星PM1633（基于第三代48層堆疊TLC V-NAND閃存技術(shù)設(shè)計(jì)），售價(jià)至少數(shù)千美元起。哪怕是三星850 Pro這類消費(fèi)級SSD（圖6），其TB級別的型號也要4000元人民幣起。

2.5英寸盤形式的為PM1633

3D閃存技術(shù)不僅三星一家

除了三星，東芝（閃迪）和英特爾（美光）也都有自家的3D閃存技術(shù)。其中，東芝將其稱為“BiCS FLASH 3D立體堆疊閃存”，目前已支持48層堆疊，單Die容量可達(dá)256Gb（32GB）。而英特爾則將其稱為“3D XPoint”技術(shù)，并正式公開了全新的SSD品牌“Optane”。相對三星和東芝，英特爾3D XPoint閃存技術(shù)主打更快的速度。

小 結(jié)

當(dāng)NAND閃存技術(shù)3D化后，受益的不僅僅是SSD，手機(jī)、平板電腦、閃存盤等以NAND作為存儲單元的設(shè)備都能從中獲益。隨著3D V-NAND等技術(shù)的不斷成熟，相信SSD在容量翻番的同時(shí)售價(jià)也會(huì)越加親民，屆時(shí)HDD從PC領(lǐng)域徹底下崗將不是夢想。