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東芝不看好3D Xpiont未來:成本制約

存儲市場在未來十年仍將繼續追求存儲的密度、速度和需求的平衡點,動態隨機存儲器、快閃記憶體和「存儲級內存」是當前三大發展方向,鎧俠對英特爾和美光的3D XPoint長期願景進行展望。

2020-01-02 00:11 / 0人閱讀過此篇文章  

作為快閃記憶體的發明者,鎧俠(原東芝存儲)在國際電子設備會議(IEDM)上公布BiCS快閃記憶體系列和即將推出的XL-Flash技術,並且附上了一份展現未來願景的幻燈片。儘管各個廠家的技術側重點不盡相同,但鎧俠並不看好3D XPoint類型的堆疊類存儲方案的前景。

存儲市場在未來十年仍將繼續追求存儲的密度、速度和需求的平衡點,動態隨機存儲器(DRAM)、快閃記憶體(Flash)和「存儲級內存」(SCM)是當前三大發展方向,鎧俠對英特爾和美光的3D XPoint長期願景進行展望。

在過去數十年中,快閃記憶體的浮柵和電荷陷阱技術已經歷多次變化,新開發的存儲器狀態,取決於單元中介質的電阻或自旋,而不是電壓。傳統上很容易將每個單元視作不同值的「0」或「1」,但隨著材料類型的發展,每個單元已能夠容納更多的狀態(SLC、MLC、TLC、QLC 等),此舉能夠獲得倍增的容量,但同時對檢測電路的精準度提出更高的要求,通常可增加單元大小或降低總體密度來實現。

鎧俠目前的BiCS快閃記憶體技術依賴在塔中堆疊多層浮柵單元,然後在xy方向重複該設計以增加容量,鎧俠已大量推出TLC和QLC產品,並希望打造面向特殊應用的每單元5比特位(PLC)產品。另外,BiCs系列產品的設計層數也在不斷增加,從最初的32層增加到48層、再到64層和96層,最新一代的128層產品也已經開始出貨。通過堆疊更多層的方式,能夠讓產品的單晶片容量的到大幅度提升。

鎧俠正在開發一種名為XL-Flash的新型快閃記憶體。區別於傳統快閃記憶體以「頁面」和「塊」的方式工作,內存以「比特位」的方式工作,意味著DRAM可訪問每個比特位並對其進行修改;但快閃記憶體則意味著任何寫操作都需要一次寫入整個頁面,寫入的損耗也成倍更大。

3D堆疊式存儲單元的工作方式與快閃記憶體有所不同,以3D XPoint為例,其使用相變材料來改變存儲單元的電阻,並可以通過電子選擇器開關進行訪問。通過交替改變字線和位線的方向來構建存儲器,保留SCM的比特位可尋址特性。要堆疊更多的層數也只需添加額外的字線和位線,以及其間的單元。

但鎧俠仍不看好3D XPoint的前景,其主要原因是相對於層數的每比特位成本,層數的增加會帶來更高的複雜性,控制電路會損失一部分面積,產能損失的影響也更大;更成熟的3D NAND技術在面積上損失幾乎為零、產量的損失也極低;3D NAND在製造過程中,某些蝕刻和填充步驟可一次覆蓋很多層,但3D堆疊SCM技術,仍未充分擴展到單層設備之外的市場。

鎧俠數據顯示,儘管其BiCS快閃記憶體在經過10層時會降低到每比特成本的漸近值,但與單層方案相比,3D堆棧SCM最多只能將4-5位比特的存儲成本降低到60%(之後就開始飆升),原因是後者未能受益於數十年改進的複雜工藝,導致每層的成本增加、面積的損失以及產量下跌。構建3D堆棧存儲器每多一步驟,良率也會更低。

如上方公式所示:其中n為層數,Cf為公共層的成本,Cv是每增加一層的成本,A是添加一層造成的面積損失,Y是單層的產量損失。有鑒於此,鎧俠在會議上指出,12層左右的3D SCM每比特位成本相當不錯。但若層數增加到NAND快閃記憶體一樣多(以64層SCM為例),單層每比特位成本就暴增到50倍。

即便未來推動3D堆疊式SCM的支持,但4層以上的堆疊預測成本已經過高,同時還沒有考慮到潛在發展這項技術存在變數。所以SCM確實可在內存領域提供超大的數據池,每GB成本較DRAM低很多,但未來很長一段時間,快閃記憶體仍將在行業內占主導地位。

題外話:從11月底開始,存儲市場又開始火熱起來,無論是固態硬碟及NAND-Flash,還是內存和DRAM都開始進入漲價模式。事實上,存儲產品周期性波動已經是行業常態,固態硬碟在經歷連續兩年的下跌之後,終於開始回暖;內存的降價周期雖然沒有NAND存儲長,但是也相當之大。

至於現在是否可以購買新的存儲產品,筆者認為看需求,多數用戶在經歷著兩年的大跌之後,已經完成了產品的更新疊代,用戶的需求也沒有想像之中大。雖然PLC之類的產品開始出現在大眾視野,但是這類型產品在5年時間裡依然無法替代現有的TLC顆粒和QLC顆粒,畢竟QLC顆粒的問題還是被大多數用戶吐槽。內存方面,隨著DDR5標準的制定,DDR4內存的出貨在短時間內不會受到影響,但是用戶可能會處於觀望階段,畢竟DDR5將在兩到三年來開始投向開放市場,DDR4內存未來的漲幅不會太大。





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