QLC大勢所趨 英特爾NAND快閃記憶體為何這麼優秀

2020年10月,英特爾宣布以90億美元的價格,將旗下NAND快閃記憶體業務出售給SK海力士,震驚業界。

但事實上,與其說是出售,不如說換個方式獨立運營,英特爾並未放棄對於NAND快閃記憶體的投入,仍然持續推進相關產品和技術,去年12月就全球首發了144層堆疊的QLC,以及多款相關產品,涉及消費級、數據中心。

根據規劃,英特爾將在未來幾年內,逐步將NAND快閃記憶體、SSD固態盤的設計、製造、運營轉移到SK海力士旗下,其推動NAND技術創新和對全球客戶的承諾不會改變。

當然,英特爾NAND快閃記憶體不會面面俱到,主要還是關注數據中心領域,兼顧消費級客戶端。

為了讓大家更深入地了解英特爾NAND快閃記憶體技術優勢,堅定對其前景的信心,英特爾近日也特別分享了一些深度資料。

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這張「金字塔」結構圖大家應該都很熟悉了,代表著英特爾對於存儲體系的理解,從塔尖到塔底,容量越來越大,延遲越來越高,相鄰級別的容量、性能差都在10倍左右,適合不同冷熱等級的存儲需求。

其中,NAND SSD固態存儲,位於傳統機械硬碟、磁帶冷存儲之上,傲騰SSD之下,是一種高效率的存儲方式。

順帶一提,英特爾傲騰業務並沒有出售。

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作為快閃記憶體技術的領導者,英特爾在快閃記憶體技術研發上已有30多年的歷史,尤其是近幾年在QLC上持續發力,是全球第一家出貨數據中心、消費級QLC PCIe SSD的企業。

20世紀80年代中期,英特爾就開始進軍NOR快閃記憶體,最初的製造工藝還是1.5微米,2005年開始轉入應用更廣泛的NAND快閃記憶體,製造工藝起步於65nm,2D時代如今已達1xnm級別,SLC、MLC、TLC、QLC一路走下來,堆疊層數也從32層一直到了144層。

QLC之後就是PLC,每個單元可以保存5個比特的數據,共有多達32種狀態,如何保持數據穩定性、持久性面臨更大的挑戰。在這方面英特爾一直是非常積極的,極為看好其前景,但何時量產應用還沒有明確的時間表。

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英特爾3D NAND技術與產品是為高密度、高可靠性而設計的,其中高密度來自不斷增加的3D堆疊層數和陣列下CMOS(CuA)結構設計,高可靠性來自於浮柵單元設計。

先說高密度。英特爾快閃記憶體一直走浮動柵極+陣列下CMOS結構的路線,相比於友商的替換柵極結構,或者說電荷擷取快閃記憶體結構(CTF),擁有更緊密、對稱的堆棧層,沒有額外單元開銷。

從對比結構圖可以看到,英特爾浮動柵極的Cell單元是均衡的,基本保持一致,更加緊湊,同時單元尺寸也更小,可以堆疊更多層數,而替換柵極會浪費一些空間,影響Cell單元的堆疊效率、密度。

陣列下CMOS,顧名思義就是將CMOS和周邊控制電路放在Cell單元陣列的下方,同樣有利於提高空間利用效率,當然堆疊層數增多之後,CMOS、Cell之間的聯系控制難度也會有所提高。

兩項設計結合,英特爾3D NAND的面存儲密度可以高出最多10%,繼而提高製造效率,每塊晶圓可以切割出更多容量,成本也能得到更好控制。

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再說高可靠性。英特爾3D NAND快閃記憶體採用了成熟的垂直浮動柵極單元技術。不同的Cell單元之間是分離的,通過浮動柵極技術存儲電子路徑,好處就是單元與單元的干擾很小,對於漏電、數據保持也更有優勢。

每個單元的電子數量,相比2015年的2D MLC NAND增加了6倍左右,從而大大提高控制力,而龐大的電子數量可以更好地防禦漏電,減輕長時間後的數據丟失問題。

同時,英特爾利用離散電荷存儲節點,具備良好的編程/擦除閾值電壓窗口,可以有效保障存儲單元之間穩定的電荷隔離,以及完整的數據保留。

另外,英特爾幾十年來對於電子物理學有著深厚的研究和積累,已經非常熟練地掌握隧道氧化層工藝。

英特爾強調,半導體工藝中,最復雜的一環其實是刻蝕,因為對著快閃記憶體單元堆疊層數的增加、電子數量的增加,多層刻蝕就像挖一口深井,必須確保垂直下去,所有單元的一致性相當高,否則會造成不同單元性能差別明顯,整體快閃記憶體的密度、可靠性也就不復存在。

打個比方,這種操作就像是在艾菲爾鐵塔上扔下一顆實心球,落地後的偏差程度必須保持在厘米級,目前只有極少幾家可以做到。

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SLC、MLC、TLC、QLC等快閃記憶體類型大家都很熟悉了,分別對應一個單元1個、2個、3個、4個比特,會分別形成2種、4種、8種、16種狀態,呈指數級增長。

這種變化會影響一個非常關鍵的指標,那就是讀取窗口,而隨著快閃記憶體單元比特、狀態的增加,讀取窗口越來越小,導致讀取准確性難度加大,一不小心就會分不清到底是1還是0,結果就反應在可靠性上。

看右側,在數據保留性能方面,對比FG浮動柵極、CTF電荷捕獲兩種結構,前者優勢更加明顯,從開始狀態到使用5年之後,電荷損失程度都更小,甚至是5年之後的電荷保留程度,都堪比CTF的最初狀態。

接下來的PLC快閃記憶體,每個單元要存儲5個比特,對應多達32狀態,讀取窗口進一步收窄,因此電荷損失的控制力度就更加至關重要,這也是英特爾快閃記憶體架構的優勢所在。

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當然,時至今日很多人依然對QLC有很大的偏見,認為其壽命、可靠性過差,根本不堪大用。這個問題需要理性看待,就像當年大家都瞧不起TLC,現在則成了絕對主流。

由於天然屬性的緣故,QLC的壽命、可靠性指標確實是不如TLC,但這並不意味著它一無是處。

事實上,QLC並非要徹底取代TLC,至少短期內不是,它更適合讀取密集型應用,適合大區塊數據、順序數據操作,比如AI人工智慧、HPC高性能計算、雲存儲、大數據等等。

而在寫入密集型、讀寫混合型工作負載中,TLC自然是更佳選擇,二者是一種相輔相成的關系。

另一方面,QLC快閃記憶體的存儲密度、容量更大,可以大大節省存儲空間,比如使用英特爾QLC快閃記憶體、30.72TB最大容量的D5-P5316 SSD,在1U伺服器內就可以輕松做到1PB的總容量,而如果使用傳統16TB硬碟,則需要三個2U機架空間。

QLC大勢所趨 英特爾NAND快閃記憶體為何這麼優秀

在全力推進QLC的同時,英特爾也會持續堅持TLC,第三季度就會發布新的144層堆疊TLC SSD,企業級的D3-S4520、D3-S4620。

總的來說,英特爾雖然將NAND快閃記憶體業務賣給了SK海力士,但這只是交易層面的,不會影響技術、產品層面。

未來,新公司承諾將持續在NAND快閃記憶體業務上大力投入,保持領先地位,其快閃記憶體產品的用戶、客戶也不必有任何憂慮。這一點,從近半年來不斷分享快閃記憶體技術、持續發布快閃記憶體產品,也可見一斑。

基於英特爾30多年來在快閃記憶體上的投入和積累,同時聯合SK海力士高超的快閃記憶體技術實力,強強聯合的前景也更值得期待。

至於快閃記憶體類型之爭,其實也可以更淡然一些。SLC早已成為江湖傳說,MLC只偏安在工業等特殊領域存在,TLC是當下絕對的主流,QLC的地位會越來越高,PLC也是呼之欲出。

結構屬性決定了快閃記憶體類型演化的同時,可靠性、壽命會有相對削弱,但一方面容量越來越大、單位成本越來越低,這是必然的方向,另一方面輔以各種架構、技術優化,別說滿足日常消費級需求,用在數據中心里也不是什麼事(當然也要看具體的工作負載,非要讓QLC大規模隨機寫入自然是強人所難)。

來源:遊民星空