NAND闪存前途有隐忧

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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。