3D NAND技术工艺发展与主流内存标准探讨

　　说到闪存，很多人都会想到运行内存和储存内存，关心手机硬件的朋友应该都对CPU、GPU、屏幕和电池等部件非常熟悉，但是对于产品性能同样非常重要的RAM(运行内存)和ROM(储存内存)相信就没有那么多人有很多了解了，今天的这篇文章，就先来说说储存内存的那些事。首先，和CPU等不一样，ROM的性能好坏的评价并不和计算能力相关，衡量一块闪存和运存性能好坏的，只有两个指标：数据读写速度和容量。

　　3D NAND为闪存容量打了兴奋剂

　　3D NAND闪存兴起

　　关于容量，首先需要强调，手机储存容量、固态硬盘(SSD)、U盘和SD卡等使用的都是一种叫做NAND的储存介质，传统的储存介质还有机械硬盘(HHD)，也就是传统的光盘储存。特点是断电之后也能保持储存的数据不丢失，可以作存储数据用。而所谓的RAM(运行内存)则是通过某种电容(DRAM、SRAM或RRAM)储存数据的，断电之后数据马上消失，但是数据吞吐速度及其迅速，这里不做深究。

　　我们都知道现在苹果已经将自家的iPhone容量整体翻了一倍，从以前的16GB/64GB/128GB改为了32GB/128GB/256GB，所以即使今年的iPhone7销售情况并不能比上去年的iPhone6s，但是对NAND闪存的需求量仍然上涨了接近一倍，再加上固态硬盘的价格持续走低，这种几年前还是奢侈品的硬盘现在已经走进寻常百姓家，需求量也大大增长，这一切都促使着NAND闪存产量需要大幅增加。再加上2D NAND的生产线很多都为最新的3D NAND闪存腾了出来，而3D NAND技术，就是最近几年闪存容量飞速增长的最大助力。

　　3D NAND技术工艺提出与普及

　　传统的2D-NAND如果想要在同样的芯片体积上增加储存容量，需要NAND cell单元制程越做越小，这样才能在单位面积中塞入更多的存储单元，可是物理这个东西总是有极限的，在20nm工艺之后，随着单元体积的进一步缩小，会带来越来越严重的电子干扰现象，这就使得储存芯片的可靠性与读写性能反而会降低。

　　在这种窘境下，3D NAND技术被提了出来，简单来说就是将原来平面排列的NAND cell再加一个垂直方向上的堆叠，这种垂直方向的排列可以在微观下数倍的增加可用体积，可是因为单个cell单元的体积极小，所以并不会在宏观层面带来体积增加。并且因为可用体积成倍增长，使用3D NAND堆叠的闪存可以用更加成熟的制程，所以三星、Intel等厂商生产的3D NAND闪存都是使用的30nm左右的制程，而不是20nm以下的制程，这也为3D NAND带来了更加优秀的可靠性。例如目前20nm工艺下的MLC闪存的擦写次数普遍是3000次，而使用了3D NAND技术的三星的V-NAND闪存可达35000次。

　　正是因为3D NAND技术的提出和普及，现在我们越来越多地看见在以前难以想象的1TB SD卡这样的怪兽级储存设备，而在相同的芯片体积下，手机的ROM和电脑的SSD等也有着越来越大的储存容量。可惜的是这项拥有光明前景的技术在国内无人能够掌握，三星和Intel等厂商已经能够制造36、48层甚至是64层的3D NAND堆叠，国内前段时间也传出中芯将在武汉花费160亿美元建立DRAM和NAND工厂，可是就现在的情况来看，国内厂商仅仅能够生产出4层堆叠的3D NAND，和业界巨头来比还相去甚远。

　　主流内存标准规格：eMMC标准、UFC标准和NVMe标准

　　除了容量，读写速度也是制约使用体验的因素之一，想必所有人都尝到过游戏、应用加载过慢的痛苦，但是随着各家厂商提出新的标准规格，近年来小到不起眼的手机内存也迎来了突飞猛进的发展。现在的内存标准规格可以分为3类，一是传统的eMMC，再就是分别由三星和苹果提出的UFC标准和NVMe标准。

　　其实这些标准就是在NAND存储芯片的基础上，再加上了控制芯片，接入标准接口，进行标准封装，形成一个高度集成的储存模块。有点像手机中的SoC，将所有需要的东西都塞到一个模块中，方便手机制造商直接拿来装在主板上，简化了产品研发的流程。不过这三种标准更多的只是在接口和数据传输协议上的标准，在存储介质上，都是使用的NAND闪存。

　　eMMC在之前一直都是业内主流的内存标准，通俗的来说，eMMC=NAND闪存 闪存控制芯片 标准接口封装，UFS和NVMe也都是如此，不同之处在于闪存控制芯片和接口协议不一样。eMMC从eMMC4.3一路发展到4.4、4.5直到现在的5.0，传输速度也从50MB/S一路狂飙到200MB/S直到现在eMMC5.0的400MB/S，再往后还有eMMC5.1高达600MB/S的传输速度。

　　不过用三星的话来说，eMMC标准的潜力已经被榨干了，UFS标准才是未来。eMMC在一段时间里只能够读取或者写入一种状态，而UFS2.0支持同时读写数据，并且在传输速度上可以达到780MB/S。在功耗方面，虽然在满载工作时功耗比eMMC高，但是待机状态下却低得多。现在使用了UFS2.0的手机已经很多了，使用了高通骁龙821、820和三星Exynos 8890等处理器的手机都已经支持UFS 2.0。

　　不过苹果一向在硬件上爱默默地堆料，使用了NVMe协议的iPhone6s和iPhone7读写速度都达到了三星S7的2倍以上，所以说iPhone的流畅不仅仅是系统的问题，在硬件上，苹果可一直都是领先安卓阵营的。不过据说在随机读写速度这一项上，UFS2.0的表现要优于NVMe，这代表着在日常复杂的使用环境中，UFS是有优势的。并且据说三星即将推出UFS2.1标准，读写速度可以达到让人咋舌的1.5GB/S。

　　近期就有传言称华为将要发布的麒麟960处理器就将支持UFS2.1，而作为三星自家的标准，也有很有可能出现在三星的手机中，不知道最后谁能够成为第一个在存储速度上打败iPhone的手机厂家。