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由于光刻技术等生产工艺方面的限制,使得SSD的最主要部件NAND闪存在进一步提高存储密度、保证可靠性和读写性能方面面临着难题。研究人员正在设法克服这些障碍,同时也在研发电阻式随机存储和相变存储等替代性的新存储技术。
SSD(Solid State Disk))是一种被普遍看好的存储介质。由于具备数据读取速度快、省电、体积小、重量轻、耐冲击等诸多优点,越来越多的个人计算机开始采用这种新的存储设备,特别是一些高端的个人电脑,如苹果公司的MacBook Air就采用SSD; 同时,也有一些上网本选用了SSD。不仅如此,SSD已经从消费产品进入企业级,在数据中心找到了自己的位置。业内人士普遍预测,随着SSD大规模量产,价格进一步降低,SSD的普及指日可待。不过,在另外一些业内人士看来,SSD的普及面临着一个很大的难题,就是作为SSD主要部件的NAND闪存前途存在很大不确定性,由于光刻技术以及成本方面的原因,NAND闪存无法继续缩小尺寸,同时保证现有的性能。
位错误和可靠性
困扰NAND闪存
2月初,英特尔和美光成立的合资公司IMFT宣布它将生产25纳米的NAND闪存,在此前投入量产的最先进的NAND闪存工艺是34纳米和32纳米。不过,你可不要指望NAND闪存的生产工艺能一直保持这样的速度向10纳米、5纳米突破,IMFT公司表示,由于位错误和成本方面的原因,可能无法继续大幅缩小NAND闪存芯片的尺寸。如果真如IMFT公司所言,NAND闪存——这种SSD最重要的组件其前途可能需要重新考量。
“我认为,NAND闪存可能不再是主流的存储介质,在未来的4～5年时间内,就可能成为事实。”市场研究机构Forward Insight公司的闪存分析师Gregory Wong表示,“人们正在寻找替代技术。”
最近几年来,NAND闪存一直是推动存储技术发展的一个重要推动力,其普及态势锐不可当。iSuppli公司预测,全球闪存卡出货量将从现在的5.3亿万片上升到2013年的95亿片,市场规模达到265亿美元。除了Intel、美光之外,三星、东芝等厂商也都给予NAND闪存高度重视,比如,三星公司最近就发布了64GB嵌入式moviNAND和32GB的MicroSD可移动存储卡,这两种新的闪存使用的都是30纳米的光刻技术。
尽管东芝及其合作伙伴SanDisk有计划在2010年下半年开始投产20纳米的 NAND闪存,不过, IMFT所采用的25纳米光刻技术仍是目前最先进的NAND生产工艺。有关专家对这种光刻技术到底能达到多小的尺寸持谨慎态度,因为尺寸变小后面临着如何让闪存依然可靠这个难题。而另一方面,采用更精细的光刻技术又非常重要,因为这意味者同样大小的晶圆上能刻出更多的晶体管,也能保存更多的数据。
“采用更精细的光刻技术难度在于,要保持与以前的产品一样的性能。”Intel公司NAND市场总监Troy Winslow说,“目前这一代生产工艺该难题还能克服,但是就未来两到3代的生产工艺而言,我们必须寻找新的材料和制程工艺,否则这一难题是无法克服的。”
Intel目前的光刻技术已经达到了原子级。光刻技术是一种用硅材料生产晶格和晶体管的工艺,这些晶格和晶体管用来保存数据位,它们越小意味着单片的NAND闪存能存储的数据越多。以25纳米的制程工艺为例,刻在硅材料上的晶格大小只有一根头发丝的1/3000。而当晶格大小达到这一级别时,晶格内部的电气干扰就会成为难以逾越的障碍。
iSuppli的内存与存储部门高级分析师Michael Yang认为,就NAND闪存生产而言,20纳米是光刻技术很难突破的一道门槛。他说:“除非我们能突破,否则就要研究其他可替代存储技术。”
另外,随着闪存生产工艺的进步,每一代闪存存储单元中的电子数量都比上一代产品中的少,如何让存储单元继续可靠地保存数据也越来越难了。以在消费类产品中最普及的闪存类型多层晶圆(MLC)NAND闪存为例,目前就处在从每个存储单元保存两个比特数据向3～4个比特数据过渡的过程。保存的数据位数增加意味着在控制级进行的编程工作量增加,因为为了确保每个比特位能正确保存,必须在控制级对每个存储单元进行管理,也就是需要编程。这种编程对单层晶圆(SLC)NAND闪存而言相对简单,因为每个存储单元只保存一个比特,而对每个存储单位要保存2～3位比特的多层晶圆闪存而言,其编程工作量要增加2～3倍。
增加每个存储单元存储数据的位数并不总是最佳办法,因为随着光刻技术越来越精细,位错误发生的概率会越来越高,采用每存储单元保存3～4位的MLC NAND闪存,这个问题会更严重。比较高的位错误率需要更多检测和纠错工作,而纠错就意味着数据读取延迟。在IMFT发布它的25纳米NAND闪存时,其公司发言人就表示,由于可靠性方面的原因,该公司已叫停了每个存储单元保存3位比特数据的MLC NAND闪存的生产。去年8月,IMFT宣布采用34纳米的光刻技术生产这种NAND闪存,从而将闪存体积缩小11%。
“每存储单元保存3位其最大的技术挑战在于,难于在保证闪存的性能、可靠性的同时,又不增加太多生产成本。”美光公司NAND市场总监Kevin Kilbuck表示。
谁是NAND闪存的替代者?
如果NAND闪存的未来不确定的话,那么谁会是替代者?
相变存储(Phase-Change Memory,PCM)被认为是继NAND闪存后的下一代存储技术。相变存储也是一种非易失性的存储技术,当没有信息读取或者写入的时候,没有能源消耗,因此很节能。而且,相变存储设备的可写入次数要远远高于NAND闪存。现在的NAND闪存可写入次数大约在1万到10万次,而相变存储大约是它的3～5倍。
更重要的是,相变存储写性能比NAND闪存更高,相变存储采用了一种融合了硫磺、硒或者碲的材料,这些半导体能够通过加热工艺从一种相位转变到另一个相位,从而擦除任何数据,由于在写入数据之前不需要擦除此前保存的数据,因此,相变存储的写入性能要远远高于NAND。
意法半导体和英特尔的合资公司Numonyx已经制造出90纳米的相变存储器,看上去与NOR闪存有些相似,写入周期与闪存接近。如果采用45纳米的工艺,写入周期将有可能提高到200万到1000万次。而且,更为重要的是,目前业界认为相变存储未来可以突破20纳米,最小达到3纳米。
除了相变存储以外,目前,也有一些存储器厂商正在研究一项名为电阻式读取存储介质(RRAM)的技术。这种产品没有采用传统的硅作为电阻材料,而是采用了硅中的细丝或者导电通路。与其他非易失性存储介质相比,RRAM更有优势,比如它的编程电压比相变存储低,同时,其体积与NAND闪存相当,也就是说,这是一项有望缩小存储设备尺寸的技术。
其他技术还包括Charge trap flash。不过,总体来说,这些新的存储技术都还处在研究过程中,与NAND闪存相比,其技术成熟度还有一定差距,谁最终会替代NAND闪存还不明确。另一种可能是,未来研究人员将突破NAND闪存面临的障碍,从而延长NAND闪存的寿命。但无论如何,芯片制造业是一个创新能力很强的产业,我们相信,未来的存储设备一定会继续沿着性能更高、体积更小、成本降低的方向向前发展的。
SSD(Solid State Disk))是一种被普遍看好的存储介质。由于具备数据读取速度快、省电、体积小、重量轻、耐冲击等诸多优点,越来越多的个人计算机开始采用这种新的存储设备,特别是一些高端的个人电脑,如苹果公司的MacBook Air就采用SSD; 同时,也有一些上网本选用了SSD。不仅如此,SSD已经从消费产品进入企业级,在数据中心找到了自己的位置。业内人士普遍预测,随着SSD大规模量产,价格进一步降低,SSD的普及指日可待。不过,在另外一些业内人士看来,SSD的普及面临着一个很大的难题,就是作为SSD主要部件的NAND闪存前途存在很大不确定性,由于光刻技术以及成本方面的原因,NAND闪存无法继续缩小尺寸,同时保证现有的性能。
位错误和可靠性
困扰NAND闪存
2月初,英特尔和美光成立的合资公司IMFT宣布它将生产25纳米的NAND闪存,在此前投入量产的最先进的NAND闪存工艺是34纳米和32纳米。不过,你可不要指望NAND闪存的生产工艺能一直保持这样的速度向10纳米、5纳米突破,IMFT公司表示,由于位错误和成本方面的原因,可能无法继续大幅缩小NAND闪存芯片的尺寸。如果真如IMFT公司所言,NAND闪存——这种SSD最重要的组件其前途可能需要重新考量。
“我认为,NAND闪存可能不再是主流的存储介质,在未来的4～5年时间内,就可能成为事实。”市场研究机构Forward Insight公司的闪存分析师Gregory Wong表示,“人们正在寻找替代技术。”
最近几年来,NAND闪存一直是推动存储技术发展的一个重要推动力,其普及态势锐不可当。iSuppli公司预测,全球闪存卡出货量将从现在的5.3亿万片上升到2013年的95亿片,市场规模达到265亿美元。除了Intel、美光之外,三星、东芝等厂商也都给予NAND闪存高度重视,比如,三星公司最近就发布了64GB嵌入式moviNAND和32GB的MicroSD可移动存储卡,这两种新的闪存使用的都是30纳米的光刻技术。
尽管东芝及其合作伙伴SanDisk有计划在2010年下半年开始投产20纳米的 NAND闪存,不过, IMFT所采用的25纳米光刻技术仍是目前最先进的NAND生产工艺。有关专家对这种光刻技术到底能达到多小的尺寸持谨慎态度,因为尺寸变小后面临着如何让闪存依然可靠这个难题。而另一方面,采用更精细的光刻技术又非常重要,因为这意味者同样大小的晶圆上能刻出更多的晶体管,也能保存更多的数据。
“采用更精细的光刻技术难度在于,要保持与以前的产品一样的性能。”Intel公司NAND市场总监Troy Winslow说,“目前这一代生产工艺该难题还能克服,但是就未来两到3代的生产工艺而言,我们必须寻找新的材料和制程工艺,否则这一难题是无法克服的。”
Intel目前的光刻技术已经达到了原子级。光刻技术是一种用硅材料生产晶格和晶体管的工艺,这些晶格和晶体管用来保存数据位,它们越小意味着单片的NAND闪存能存储的数据越多。以25纳米的制程工艺为例,刻在硅材料上的晶格大小只有一根头发丝的1/3000。而当晶格大小达到这一级别时,晶格内部的电气干扰就会成为难以逾越的障碍。
iSuppli的内存与存储部门高级分析师Michael Yang认为,就NAND闪存生产而言,20纳米是光刻技术很难突破的一道门槛。他说:“除非我们能突破,否则就要研究其他可替代存储技术。”
另外,随着闪存生产工艺的进步,每一代闪存存储单元中的电子数量都比上一代产品中的少,如何让存储单元继续可靠地保存数据也越来越难了。以在消费类产品中最普及的闪存类型多层晶圆(MLC)NAND闪存为例,目前就处在从每个存储单元保存两个比特数据向3～4个比特数据过渡的过程。保存的数据位数增加意味着在控制级进行的编程工作量增加,因为为了确保每个比特位能正确保存,必须在控制级对每个存储单元进行管理,也就是需要编程。这种编程对单层晶圆(SLC)NAND闪存而言相对简单,因为每个存储单元只保存一个比特,而对每个存储单位要保存2～3位比特的多层晶圆闪存而言,其编程工作量要增加2～3倍。
增加每个存储单元存储数据的位数并不总是最佳办法,因为随着光刻技术越来越精细,位错误发生的概率会越来越高,采用每存储单元保存3～4位的MLC NAND闪存,这个问题会更严重。比较高的位错误率需要更多检测和纠错工作,而纠错就意味着数据读取延迟。在IMFT发布它的25纳米NAND闪存时,其公司发言人就表示,由于可靠性方面的原因,该公司已叫停了每个存储单元保存3位比特数据的MLC NAND闪存的生产。去年8月,IMFT宣布采用34纳米的光刻技术生产这种NAND闪存,从而将闪存体积缩小11%。
“每存储单元保存3位其最大的技术挑战在于,难于在保证闪存的性能、可靠性的同时,又不增加太多生产成本。”美光公司NAND市场总监Kevin Kilbuck表示。
谁是NAND闪存的替代者?
如果NAND闪存的未来不确定的话,那么谁会是替代者?
相变存储(Phase-Change Memory,PCM)被认为是继NAND闪存后的下一代存储技术。相变存储也是一种非易失性的存储技术,当没有信息读取或者写入的时候,没有能源消耗,因此很节能。而且,相变存储设备的可写入次数要远远高于NAND闪存。现在的NAND闪存可写入次数大约在1万到10万次,而相变存储大约是它的3～5倍。
更重要的是,相变存储写性能比NAND闪存更高,相变存储采用了一种融合了硫磺、硒或者碲的材料,这些半导体能够通过加热工艺从一种相位转变到另一个相位,从而擦除任何数据,由于在写入数据之前不需要擦除此前保存的数据,因此,相变存储的写入性能要远远高于NAND。
意法半导体和英特尔的合资公司Numonyx已经制造出90纳米的相变存储器,看上去与NOR闪存有些相似,写入周期与闪存接近。如果采用45纳米的工艺,写入周期将有可能提高到200万到1000万次。而且,更为重要的是,目前业界认为相变存储未来可以突破20纳米,最小达到3纳米。
除了相变存储以外,目前,也有一些存储器厂商正在研究一项名为电阻式读取存储介质(RRAM)的技术。这种产品没有采用传统的硅作为电阻材料,而是采用了硅中的细丝或者导电通路。与其他非易失性存储介质相比,RRAM更有优势,比如它的编程电压比相变存储低,同时,其体积与NAND闪存相当,也就是说,这是一项有望缩小存储设备尺寸的技术。
其他技术还包括Charge trap flash。不过,总体来说,这些新的存储技术都还处在研究过程中,与NAND闪存相比,其技术成熟度还有一定差距,谁最终会替代NAND闪存还不明确。另一种可能是,未来研究人员将突破NAND闪存面临的障碍,从而延长NAND闪存的寿命。但无论如何,芯片制造业是一个创新能力很强的产业,我们相信,未来的存储设备一定会继续沿着性能更高、体积更小、成本降低的方向向前发展的。