NAND 闪存前途有隐忧

　　由于光刻技术等生产工艺方面的限制，使得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。由于数据读取速度快、省电、体积小、重量轻、耐冲击，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作为存储设备。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，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。

　　受位错误和可靠性困扰

　　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到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嵌入式芯片和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已经计划从2010年下半年开始投产20纳米的 NAND闪存，不过， IMFT所采用的25纳米光刻技术是目前最先进的NAND生产技术，有关专家也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。然而，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，“目前这一代技术该难题还能克服，但是就未来两到3代的技术而言，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。保存的数据位数增加意味在控制级进行的编程工作量的增加，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闪存而言非常相对简单，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到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，难于在保存闪存的性能、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，就没有能源消耗，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。现在的NAND闪存的可写入次数大约在10000到100000次，相变存储大约是它的三到五倍。

　　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是不需要擦除此前保存的数据位，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，也有几个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，比如他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在研究过程中，与NAND闪存相比，其技术成熟度都还有一定差距，谁最终会替代NAND闪存还不明确，或者也有可能未来，研究人员会突破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、成本的方向向前发展的。