铠侠展望3D XPoint前景，3D NAND技术成熟占据主导

未来十年，存储市场仍将继续追求存储的密度、速度和需求的平衡点。尽管各个厂家的技术侧重点不尽相同，但铠侠（原东芝存储器）对 3D XPoint 之类的堆叠类存储方案的前景并不看好。在今年的国际电子设备会议（IEDM）上，该公司宣布了 BiCS NAND Flash系列和即将推出的 XL-Flash 技术，并且附上了一份展现未来愿景的幻灯片。

（题图 via AnandTech）

动态随机存储器（DRAM）、闪存（NAND Flash）和“存储级内存”（SCM），是当前市面上的三大发展方向，铠侠也对英特尔和美光的 3D XPoint 长期愿景进行了展望。

过去几十年，闪存的浮栅和电荷陷阱技术，已经历多次变化。新开发的存储器，其状态取决于单元中介质的电阻或自旋，而不是电压。

传统上很容易将每个单元视作不同值的“0”或“1”。但随着材料类型的发展，每个单元已能够容纳更多的状态（SLC、MLC、TLC、QLC 等）。

此举能够轻松获得倍增的容量，但也对检测电路的精准度提出了更高的要求，通常可增加单元大小、或降低总体密度来实现。

铠侠当前的 BiCS NAND Flash技术，依赖于在塔中堆叠多层浮栅单元，然后在 xy 方向重复该设计以增加容量。目前，该公司已大量推出 TLC 和 QLC 产品，并希望打造面向特殊应用的每单元 5 比特位产品。

BiCs 系列产品的设计层数也在不断增加，从 32 层增加到 48 层，再到 64 层和 96 层，预计将来会增加 128 层以上。与其它方法相比，层数的添加，还是相对更加容易的。

此外，铠侠还在开发一种名叫 XL-Flash 的新型闪存。传统闪存以“页面”和“块”的方式工作，而存储类内存以“比特位”的方式工作。

这意味着，尽管 DRAM 可访问每个比特位并对其进行修改，但在闪存中，这意味着任何写操作都需要一次写入整个页面，写入的损耗也成倍更大。

3D 堆叠式存储单元的工作方式与3D NAND Flash有所不同，以 3D XPoint 为例，其主要是使用相变材料来改变存储单元的电阻，并可以通过电子选择器开关进行访问。

其原理是通过纵横的字线位线之间的电阻值作为“0”、“1”二进制信息，如下图，绿色块的电阻用来储存信息，也就是memory cell，selector（灰色块）可以控制改变绿色块电阻，选择读或写。通过交替改变字线和位线的方向来构建存储器，以保留 SCM 的比特位可寻址特性。如需堆叠更多的层数，也只需添加额外的字线和位线，以及其间的单元。不过，Intel并没有公布3D XPoint的核心技术细节，所以外界也是知之甚少。

与NAND Flash相比，3D XPoint技术在速度及耐用性方面均实现了高达1000倍的提升。除了相比NAND Flash而言超出1000倍的速度和超出1000倍的耐用性，3D XPoint技术的存储密度也提升了高达10倍，能够以较低成本满足用户在非易失性、高性能、高耐用性和高容量方面对存储与内存的需求。

即便如此，铠侠仍不看好 3D XPoint 的前景。铠侠认为，首先是相对于层数的每比特位成本，层数的增加会带来更高的复杂性，控制电路会损失一部分面积，产能损失的影响也更大。

相比之下，3D NAND 技术要成熟得多，市面上已大量上市 90 多层的产品，且无人否认层数堆叠是一种行之有效的方法，因其面积上的损失几乎为零、产量的损失也极低。

在制造过程中，3D NAND 的某些蚀刻和填充步骤，可一次覆盖很多层。相比之下，3D 堆叠 SCM 技术，仍未充分扩展到单层设备之外的市场。

铠侠数据显示，尽管其 BiCS 闪存在经过 10 层时会降低到每比特成本的渐近值，但与单层方案相比，3D 堆栈 SCM 最多只能将 4-5 的成本降低到每比特成本的 60%（之后就开始飙升）。

原因是后者未能受益于数十年改进的复杂工艺，导致每层的成本增加、面积的损失、以及产量的下跌。为构建 3D 堆栈存储器，这是一个艰苦的过程。每多一步骤，良率也就更低。

如上方公式所示：其中 n 为层数，Cf 为公共层的成本，Cv 是每增加一层的成本，A 是添加一层造成的面积损失，Y 是单层的产量损失。

有鉴于此，铠侠在会议上指出，在 3D SCM 的情况下，12 层左右的每比特位成本还是相当的。但若层数增加到 NAND Flash一样多（以 64 层 SCM 为例），单层每比特位成本就暴增到 50 倍了。

即便强力推动对 3D 堆叠式 SCM 的支持，当今 4 层以上的堆叠预测成本也已经过高，且未考虑到潜在发展的这项技术在未来的变数。

综上所述，SCM 确实可在存储领域提供超大的数据池，每 GB 成本较NAND Flash低很多。但长期看来，在未来很长一段时间内，NAND Flash仍将在行业内占主导地位。