3D V-NAND技术 SSD容量翻番的绝世必杀

软件先锋 2015-08-27 16:04网络整理点击: 标签:

      在过去的很长一段时间里,HDD机械硬盘的容量优势始终是SSD固态硬盘望其项背的存在。然而,就在HDD好不容易借助氦气和叠瓦式磁记录等技术的帮助下突破10TB时,SSD的最大容量却已达到了16TB。那么,SSD是如何在存储容量上实现绝地反击的呢? 

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      SSD存储容量的逆袭

      在很多用户的印象中,SDD就是高速度与低容量的矛盾体,并始终坚信HDD将永远保持容量上的优势。然而,三星却在2015年8月推出了容量高达3.84TB的企业级SSD:PM1633(图1 图注:2.5英寸盘形式的为PM1633)。这并不是结束,三星还将四块PM1633塞进了一个2.5英寸的空间内(三星将其命名为PM1633a),创造了15.36TB恐怖容量的历史。虽然PM1633a的厚度是普通2.5英寸SSD的2倍,但也足以印证一点:SSD容量翻身的时代即将到来。

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      提升SSD容量的两条路

      我们都知道,传统HDD扩容只有两条路,提升单碟容量或是塞进更多碟片,而SSD的扩容之路与HDD也是极为相似。将SSD硬盘的外壳剥开(图2),我们可以看到PCB主板上镶嵌着包括主控、缓存和NAND在内的无数芯片,而单颗NAND闪存芯片的容量(类似HDD的单碟容量),以及NAND闪存芯片的数量(类似HDD的碟片数量),就是决定SSD硬盘容量的关键所在了。

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      问题来了,SSD硬盘主要以2.5英寸(笔记本硬盘形态)、mSATA和M.2三类为主,它们的PCB主板尺寸固定,这意味着它们所能容纳的最大NAND闪存芯片数量也是固定的。特别是像42mm长度的M.2 SSD硬盘来说,它们普遍仅能承载1~2颗NAND芯片(图3)。因此,如何提高单NAND闪存芯片的容量,才是SSD未来发展的王道。

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      传统2D NAND技术的局限性

      对CPU而言,其内涵晶体管的数量就等同于性能,想在单位面积里塞进更多的晶体管,唯一的方法就是提高制程工艺。以英特尔为例,其CPU制程工艺刚刚实现从22nm向14nm的跨越,于是才换来了更低的功耗与更强的性能。

      我们可以将NAND闪存理解为CPU,其存储密度(逻辑单元的尺寸)就等同于晶体管数量,制程工艺越先进,存储密度也就越高,同时也意味着单NAND闪存芯片的容量越大。问题来了,再先进的制程工艺在单位面积下的存储密度也是存在极限的。此外,传统2D NAND闪存都采用了浮栅极MOSFET结构,制程越先进(存储密度越高),相邻存储单元格的电荷相互干扰也就越严重,导致数据处理时的错误率增高、芯片可擦写次数(使用寿命)骤降等严重隐患。

      用房地产理论可以帮我们更好地理解上述现象。房产项目占地面积就是单NAND芯片的表面积,存储密度就是每户之间的距离,而2D NAND闪存只允许开发商盖一层的平房。开发商要想建出更多房屋,就必须减小每栋房屋的面积并牺牲间距(升级制程提高存储密度)……当你与邻居被“挤”在一起过上“蜗居”的生活后,各种邻里纠纷和冲突的现象自然也会不断升级(图4),生活品质和周边环境将难以保证。

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    此时如果你是开发商,将如何解决上述困局?没错,就是提高开发资质,将房产项目的平房都改建为摩天大厦(图5)!

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      搬上大厦的3DV-NAND技术

      三星是最早想到这个方法的“开发商”之一,并推出了相应的“3D V-NAND”技术。简单来说,3D V-NAND是由“3D”(3D化)和V(垂直堆叠化)两个部分构成。其中,3D化指的是NAND从传统的浮栅极MOSFET结构改为了电荷撷取闪存CTF结构,这是一种非平面设计,用控制栅极和绝缘层将MOSFET环形包裹起来,不仅提升了储存电荷的的物理区域,更提高了NAND的性能和可靠性。

      垂直堆叠化就更好理解了。3D V-NAND闪存芯片的内部结构就好似盖楼房,它允许开发商通过从高层向低层穿孔以连接电极的时刻技术将无数间平房“堆叠”在一起并统一封装。换句话说,一颗3D V-NAND闪存芯片是由多层2D NAND闪存芯片摞在一起构成,而它的最终容量取决于堆叠的层数和闪存类型(TLC或MLC,TLC容量更高)。目前,三星已经量产了应用于SSD领域的48层3bit MLC 256Gb 3D V-NAND闪存芯片,如果用这样的颗粒做SSD的话,M.2规格就能做到3.5TB,2.5英寸SSD可轻松突破10TB大关!

  遗憾的是,TB级别的SSD目前还是仅限于企业级用户,比如前文提到的三星PM1633(基于第三代48层堆叠TLC V-NAND闪存技术设计),起售价至少数千美元起。哪怕是三星850 Pro这类消费级SSD(图6 图注:1TB版的850Pro SSD仅由8颗NAND闪存芯片组成),其TB级别的型号也要4000元人民币起。

      3D闪存技术不仅三星一家

      除了三星,东芝(闪迪)和英特尔(美光)也都有自家的3D闪存技术。其中,东芝将其称之为“BiCS FLASH 3D立体堆叠闪存”,目前已支持48层堆叠,单Die容量可达256Gb(32GB)。而英特尔则将其称为“3D XPoint”技术,并正式公开了全新的SSD品牌“Optane”。相对三星和东芝,英特尔3D XPoint闪存技术主打更快的速度。

 

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