第1章 NAND存储器的生态

1.1 存储器行业变迁

可以说近10年是整个存储行业历史上变化最大的10年。

1.1.1 NAND及存储器供应商的整合

如图1.1所示，过去6年中，全球存储器95%的供应集中到5家厂商。

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图片来源于《三维存储芯片技术》

1.1.2 NAND技术发展

近10年来存储器技术转型有两个方向：

一个是采用先进光刻机在2D平面的X、Y方向继续微缩
另一个是在3D空间采用先进的刻蚀工具增加Z方向的层数

1.1.3 NAND应用模式的变化

造成NAND生态系统重大变化的最后一个因素来源于NAND的细分市场。NAND市场应用在2015年相较于2011年有很大变化，如图1.3所示。

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消费级SSD增长
企业级SSD增长
存储卡和USB等移动存储逐渐减少

1.2 固体硬盘

1.2.1 企业级SSD

如图1.4所示，企业级SSD市场是NAND应用市场中最有趣的部分。

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图1.5所示是一个典型的存储金字塔，DRAM作为最快的外部存储处于第一梯队。

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由于以下原因，PCIe SSD发展十分迅速

提供最高的性能和最低的延迟
基于服务器的存储需求增长，云供应商倾向于直接通过PCIe连接服务器
采用2.5in驱动或者M.2等来提高制造效率，降低成本
企业级应用的增长使得PCIe企业级生态系统技术随之也增加

基于PCIe的SSD优势已全部实现，包括：

相比SATA和SAS，PCIe具有更好的性能和最低延迟。高端PCIe SSD可以提供超过每秒一百万的I/O吞吐率，读延迟可在10us量级
利用客户群体经济效应，因为PCIe在消费级SSD十分热门
存储行业生态系统里，对于PCIe支持日益强烈以及对NVMf和相关技术的投资增加，需要更大规模的部署

PCIe SSD的性能优势与传统的DAS、SAN和NAS存储相结合，表明了标准化PCIe NVMe存储将会成为接下来几年企业级SSD接口的趋势。表1.1提供了SSD不同接口在企业中应用时的真实性能评估结果。

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1.2.2 Build-Your-Own和客制化SSD

Build-Your-Own(BYO)SSD是一个由大批消费者自定义而非标准SSD的模式。如图1.7所示，客户自定义SSD的动机主要包括以下几点。

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NAND成本优势：利用原始NAND和SSD价格套利
操作优势：通过简化SSD开发，缩短开发周期来与其他平台转换及开发更无缝连接，优化操作者最关心的SSD功能
上市时间(TTM)优势：联合认证可以快速开始，客制BYO SSD可减少认证周期，并允许更快的批量生产
技术优势：BYO模式最大的优势之一。如图1.8所示，参数大小可以自己控制。

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三个最常见的SSD指标修改：耐擦写性；性能/功耗；NAND Flash成本

1 耐擦写性

擦写(Program/Erase，P/E)次数是耐擦写特性的主要指标，对于不同类型的NAND，该指标不相同，行业标准是：

SLC规格为1bit/cell，P/E次数是10000或更高
MLC规格为2bit/cell，P/E次数是3000
TLC规格为3bit/cell，P/E次数通常小于1000

OP是SSD中Flash存储以外的部分，可以通过Flash控制器执行各种管理功能。

2 性能/功耗

NAND性能在SLC、MLC和TLC之间差异很大。例如BYO SSD为满足应用性能级耐擦写性需求将进行以下配置：

更便宜的NAND
更多数量的通道用于性能优化
为增加耐擦写度配置强大ECC
最低的OP配置

3 NAND Flash成本

企业级BYO客制SSD的总成本仍然以NAND成本为主。如图1.9所示，对于2TB的企业级SSD，其控制器配有更多Flash通道，有更强的ECC，且成本相对较低。

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1.2.3 SSD控制器的经济效应

关键的灵活控制器(高级别)设计点包括：Flash通道数量；DRAM接口；支持的企业功能；可独立关闭那些无须特殊处理的功能和部件；强大的ECC，支持多种存储类型；可灵活支持NAND协议和特殊指令。

1.2.4 消费级SSD

消费级SSD具有不同的市场，主要受成本影响，这与使用最低成本NAND类型有关。

1.3 NAND技术演进：3D NAND

关于NAND技术演进的讨论可通过两个重要标准来理解：需要降低每位成本来继续增加总存储中的NAND占比；2D NAND在耐擦写性和性能上遇到技术节点发展瓶颈，因此才要探索新的3D NAND。

1.3.1 3D NAND技术

前面已详细描述2D NAND节点的演进过程，2D NAND已无法满足迅速扩张的市场所带来降低成本的需求。3D演进是从32-48-64层，它可以像以前2D NAND技术缩进速度一样继续缩紧几代。

1 3D NAND成本和价格定位

供应商选择3D NAND技术时主要考虑以下方面：

与最新2D NAND产品的成本结构进行比较
3D NAND产品的良率
3D TLC NAND能够达到最新2D MLC节点的技术规格
32层和48层产品之间的晶圆成本
浮栅技术与电荷俘获技术在不同的3D NAND产品之间制造良率方面的差异

2 技术规格

每一代对应关键指标是：

可靠性(P/E次数)降低
位错误率(BER)增加
ECC要求提高

3 四级单元(QLC，4bits/cell)

如果3D TLC可以取代2D MLC，那么问题是用什么替代2D TLC。NAND供应商在业界多次宣布要开发QLC 3D NAND产品。

1.3.2 3D NAND产品以TLC为主导

3D NAND产量爬升的净效应是TLC产品，目前它只占整个产业中较小部分，但是预计未来几年将成为供应商主导产品。

1.3.3 浮栅技术VS电荷俘获技术

如图1.14所示，NAND组成单元中一个有趣的技术争论是存储器单元使用浮栅(FG)技术还是电荷俘获(CT)技术。大多数NAND供应商都选择CT技术，但Intel和Micron合作开发3D NAND却选择了基于浮栅的技术。

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1.3.4 封装创新：TSV NAND

1 接口芯片

它可以区分每一代NAND的需求并为系统高层提供更简单的统一接口，如eMMC产品。芯片最后封装时采用标准的BGA和MCP封装，除了原NAND芯片外还需外挂一个逻辑芯片用于：降低I/O功耗及电容；执行ECC功能；处理更高级功能，如垃圾收集及其他NAND管理事宜，为主处理器提供更简单、更高级的接口。

2 TSV 封装

TSV封装用于更高密度的应用。TSV技术就像是高楼里面的钢架，如图1.15所示，使得连接长度减少约10倍。接线长度短的优势有以下几个：

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图片来源于《三维存储芯片技术》

性能，寄生电容变小，可支持更高传输速度，提高信号完整性(SI)。
低功耗，IO电压可以从1.8V降低到1.2V，NAND内核电压可以从3.3V降到1.8V。

1.4 新存储器技术

从新的存储技术看，图1.17中观察到目前存储行业投入较大力量挖掘的两个方向：

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DRAM的替代品，满足非易失性且每位成本比DRAM低
性能比NAND更高的存储级内存(SCM)

目前，主流的新型存储器包括以下3种

磁阻随机存取存储器(MRAM)
相变存储器(PCRAM)
阻变存储器(ReRAM)

1.5 未来5年我们期待什么

随着NAND产业在未来几年将转型为3D NAND，会面临以下的问题：

存储厂商的格局。问题：未来几年是否会因为存储或硬盘领域领导者的不断收购而使存储行业进一步整合？
3D NAND领导者。问题：哪些供应商将在3D NAND产品中率先提升产量，其他NAND厂商将如何回应？
2017年3D NAND将占大块比例。问题：到2017年或2018年,NAND是否已经转型为3D NAND(3D NAND占50%及以上)? 3D晶圆何时才能达到50%?
存储单元技术。问题：第二代或第三代3D NAND产品将会采用CT技术还是FG技术?
NAND单元的经济性。问题：什么时候将QLC(4bit/ell)引入市场，与2D TLC相比，技术规格将如何?
企业级SSD。问题：谁将成为PCle SSD(客户和企业)的领导者? BYO SSD模式是否会因大型云运营商而普及?
3D交叉存储。问题：Intel 公司和Micron公司的3DXPoint技术将在几年内被广泛接受应用?Intel公司会不会在其服务器架构中大量应用此技术?
新型存储。问题：哪一种新存储器会在下一代成功持续的时间更久?是在主流市场成功，还是在利基应用上成功? MRAM能够实现Gb级产品的成本效益吗?

致谢《三维存储芯片技术》
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