新的存储技术挑战NAND闪存的主导地位

NAND闪存面临硬限制

在过去的40年里，由于摩尔定律，半导体芯片上的晶体管数量每隔一两年就会增加一倍，因为单个比特的尺寸平均每年缩小30%。这反过来又推动了成本的降低，使芯片得到了更广泛的应用。这种30%的减少被称为过程收缩，而持续的规模和成本不断降低的现象被称为缩放。

大多数半导体都能持续收缩，但闪存有一个问题:在闪存中，比特以电子的形式存储在浮动栅上，浮动栅能容纳的电子数量与晶体管的大小成正比。在15纳米(纳米)的工艺几何中，1和0之间的差只有几十个电子，在数字芯片的噪声中，这是一个极其困难的数字。如果制造商一如既往地将晶体管的尺寸再缩小30%，电子的数量就会降至可检测的水平以下。

整个半导体市场建立在不断降低成本的预期之上。如果价格暴跌突然停止，那是不行的。但是，尽管在平面NAND扩展中面临着硬限制，但如何继续扩展成本呢？

3D NAND来救援

东芝在2006年推出了一个聪明的解决方案。与其继续缩小建在芯片表面的晶体管，为什么不创造一个垂直结构，沿着大楼的墙壁建造晶体管，就像城市办公大楼墙壁上的垂直花园一样?如果地球上没有足够的面积来种植一个花园，那么就在你的房子的墙上建一个。

使用这种方法来增加芯片上的晶体管数量，东芝计划继续扩大闪存位的成本，即使晶体管不能扩大。它将这种方法命名为比特成本缩放(Bit Cost Scaling, BiCS)它成为了3D NAND闪存的基础。

BIC不仅允许继续降低成本，还支持继续使用NAND闪存3 d与非和平面NAND非常相似，可以互换使用，只需要很少或不需要重新设计。消费者可能有两个USB闪存驱动器，一个是3D NAND，另一个是平面NAND，并且不能分辨出任何区别。这是其他一些新的内存技术的优势。

业界采纳了东芝的做法。在BiCS中，比特是通过填充一系列深的半导体层中的一个洞而形成的柱状结构。接下来的问题是:我们能把这些垂直的比特塔建多高?目前尚不清楚。

当东芝首次开发BiCS时，主流的智慧认为列中的比特数将受到芯片层数和用于创建列的孔的宽度和深度的限制(参见“构建3D NAND”)。制造商不能让这个孔小于20纳米，因为内部必须覆盖几层同心圆材料，而这些同心圆材料层有最小厚度要求。同时，深度与垂直层数成正比，这些层的厚度也最小。由于这些限制，孔的长宽比——深度除以直径——是由闪光中垂直层的数量决定的。

纵横比为40比1是很难制造的，而60比1是极具挑战性的。但随着层数的增加，需要更高的纵横比。这似乎限制3 d与非要经过三代，也就是大约100层，才需要为了新技术而放弃。

然而，半导体研究人员是一群极富创新精神的人，他们设计了一种名为弦叠加的新想法，以支持明显更高的层数。使用字符串堆叠，可以制作特定的层数3D NAND，然后在其上建立另一组层。每一组新的层，就会形成一个新的孔，但这个孔是通过更少的层蚀刻的，所以它的宽高比保持适度。例如，与在64层上蚀刻一个具有挑战性的孔不同，美光科技(Micron Technology)在32层上蚀刻了两次，以生产目前的64层3D NAND。这可能相当于两个纵横比为30比1的孔或一个纵横比为60比1的孔之间的差异。

没有人知道字符串在达到其极限之前可以堆叠多少次。普遍的看法是500层的限制，但这是不确定的。在半导体领域，常识常常被证明是错误的。

如今64层芯片的密度高达1tb (128gb)，因此500层芯片的数据存储容量预计将是原来的10倍。一个tb级的芯片当然是可以想象的。如果一个tb级的芯片在500层的进程上构建，它将不会比现在的64层128gb芯片大。

的净影响这意味着3D NAND可能会伴随我们很长一段时间。

那么3D XPoint呢?

2015年，英特尔和美光公司宣布新型记忆被称为3 d XPoint．这种不同的技术保证了动态ram的速度，价格介于DRAM和NAND闪存之间。其目标是在DRAM主存和NAND固态硬盘之间滑动一个新的存储层，以提高计算机的成本/性能。

3D XPoint并不打算取代NAND闪存或DRAM，尽管它可能会用于减少系统内达到任何给定性能水平所需的DRAM数量。这是过去新的内存技术的一个重大变化，这些技术一旦达到扩展极限，就可以取代闪存或DRAM。

到目前为止，3D XPoint仅在PCIe非易失性内存express（NVMe）接口中可用。尽管NVMe是SSD最快的接口，但与3D XPoint内存固有的速度相比，它的速度很慢。事实上，它的速度非常慢，尽管Intel和Micron声称3D XPoint的速度是NAND flash的1000倍，但今天的英特尔Optane ssd只比NAND闪存快6到8倍。

显然，DIMM接口对于释放3D XPoint类似DRAM的速度和利用其成本/性能优势是必要的。英特尔已承诺以DIMM格式提供3D XPoint内存，但尚未公开推出此类产品。然而，英特尔在2018年8月的闪存峰会上透露，它已经将这些DIMM交付给了谷歌。

客观分析”2015年的报告关于3D XPoint内存，预计3D XPoint内存最重要的市场将是用于服务器的DIMM。我们继续支持这一发现。今天的3D XPoint内存市场相对较小，主要由愿意为边际性能改进花费巨资的游戏玩家组成（参见“英特尔的3D XPoint战略”）。

其他新兴的存储技术

3D XPoint只是众多正在研究的新存储技术之一。有些已经开发了相当长的时间，比如相变存储器(PCM)，在将近50年前的1970年，英特尔的戈登•摩尔(Gordon Moore)与人合著了一篇关于相变存储器的文章。

这些技术承诺高性能、低功耗、非挥发性，最重要的是，能够超越DRAM和NAND闪存的扩展限制。但NAND闪存和DRAM开发商仍在继续寻找办法，绕过可能限制扩展的障碍——3D NAND就是一个很好的例子——推迟了新技术取代NAND和DRAM的可能性。

成本是阻止这些技术取代现有存储器的最重要因素。

嵌入式内存市场很可能会催生一种或多种新技术。但这些技术中的一种有机会取代DRAM或NAND闪存可能需要很长时间。嵌入式存储器将很快采用新技术，因为逻辑芯片上的存储器必须容易且经济地建立在用于制造ASIC、微控制器和微处理器的逻辑过程上。

也不闪，这类芯片上最常见的非易失性存储器，很难扩展到45纳米以上，尽管实验室原型是使用14纳米的工艺制造的。同样，甚至静态随机存取存储器事实证明，SRAM位的大小无法与进程成比例地扩展。这可能会导致芯片的SRAM部分膨胀，并限制通过将asic、微控制器和微处理器扩展到更小的进程而实现的成本优势。

NOR和SRAM都将被新的存储技术取代。这里有一些:

• 磁性随机存取存储器(MRAM)是基于已经大批量生产hdd磁头的磁性技术。Everspin科技公司生产这种非易失性技术作为独立内存已经有大约5年的时间了，而且所有领先的晶圆厂都在开发嵌入式版本。MRAM是基于类似DRAM的单晶体管单元，因此可以在成本上与DRAM竞争，但不能与NAND闪存竞争。
• 相变存储器是英特尔和美光的3D XPoint内存的基础。大约十年前，它作为NOR闪存的替代品投入生产，但只有英特尔(Intel)、三星(Samsung)和意法半导体(STMicroelectronics)推出了这款产品，但这三家公司都放弃了这款产品。
• 铁电随机存取存储器(弗拉姆号)已经生产了20多年，但由于它依赖铅基材料，破坏了底层硅的完整性，所以接受度有限。尽管如此，富士通生产的帧芯片可能比所有其他替代存储器的总和还要多。一项新的研究确定了一种更友好、更容易理解的材料——氧化铪——可以作为铁电层，重新引起了人们的兴趣。
• Conductive-bridging RAM (CBRAM)基于金属丝通过硫系玻璃的迁移。Adesto Technology是唯一一家提供这种内存类型的公司。
• 电阻RAM（ReRAM）Crossbar公司正在取样一种有点类似的技术，在这种技术中，纳米金属丝通过硫系玻璃层生长。ReRAM开发了一种包含内部选择器机制的比特单元，简化了生产过程，同时消除了开发与比特单元一起工作的独立选择器的需要。
• 耗氧RAM (OxRAM)是基于一种类似CBRAM的现象，氧离子从硫系玻璃中去除，形成导电路径。这项技术还没有投入生产。直到一年前，惠普企业(Hewlett Packard Enterprise)还计划在其名为“机器”(The Machine)的先进电脑中使用OxRAM，但它的方法——记忆电阻(Memristor)——却未能实现推迟到最近．
• 纳米管RAM，或NRAM，由Nantero设计的纳米管是基于一层碳纳米管，可以通过电压缩或膨胀来创造高或低电阻状态。

除MRAM外，所有这些技术都基于两个终端选择器。这些选择器支持微位单元大小——4f²，或者是芯片上光学打印的最小特征大小的四倍。它们也可以采用类似于3D XPoint内存的方法进行堆叠，以获得预期的较低成本。

直到最近发现可以使用氧化铪来制造FRAM，以上所有的技术都需要使用新材料，而不像底层的硅那样被很好地理解。这阻碍了它们的采用，因为这些新材料可能阻碍大规模生产。

成本是阻止这些技术取代现有存储器的最重要因素。所有这些都比DRAM或NAND闪存贵上几个数量级，这使得它们只能在一些特定的应用中使用，而在这些应用中，一些技术特性可以抵消它们高昂的成本。对于FRAM来说，它是技术在低功耗下的快速写入。对于MRAM来说，它具有快速写入和不挥发性，而且不需要不可靠的电池。PCM因其高辐射耐受性被选为卫星，CBRAM因类似原因被选为高剂量x射线消毒的外科器械。

然而，在这些技术中的一种达到足够高的批量生产之前，没有一种可能达到取代任何现有内存技术所需的低成本。除非有市场，否则它们不会大量生产，而市场在价格下降之前不会发展。这是一个鸡和蛋的问题。

接下来的十年会发生什么呢

NAND闪存预计将在未来至少10年内继续发挥作用，DRAM也将紧随其后。如果英特尔实现了其3D XPoint的目标，那么它将进入高产量——尽管它可能要亏本出售技术才能达到这一目标。其他新的存储技术在近期内将在片上存储领域取得成功，但在相当长的一段时间内可能无法与独立的DRAM和NAND闪存芯片竞争。