東芝：閃存從問(wèn)世到未來(lái)

上世紀(jì)八十年代，東芝發(fā)明了閃存。NOR閃存問(wèn)世較早，而現(xiàn)在應(yīng)用更廣泛的則是稍晚些時(shí)候出現(xiàn)的NAND型閃存。他們之間有什么區(qū)別，NOR閃存現(xiàn)在還存在嗎?

NOR閃存

相比NAND的閃存，NOR閃存的容量偏小，但是讀取速度很快，但是寫入和擦除的速度偏慢。

NOR閃存允許隨機(jī)存取存儲(chǔ)器上的任何區(qū)域，可以支持XIR(eXecute In Place)片內(nèi)執(zhí)行，在一些簡(jiǎn)單功能的設(shè)備當(dāng)中，代碼可以無(wú)需事先加載到DRAM內(nèi)存，而是直接在NOR閃存內(nèi)執(zhí)行，正是由于這個(gè)特別的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)在NOR目前并沒(méi)有因?yàn)槿萘可系牧觿?shì)而消失。

除了主板BIOS之外，電腦當(dāng)中的NOR閃存還存在于一些早期型號(hào)的固態(tài)硬盤當(dāng)中。下圖當(dāng)中紅色圈內(nèi)的就是一顆SPI接口的NOR閃存，主要用于存儲(chǔ)固態(tài)硬盤的固件。黃色圈內(nèi)的則是東芝NAND型閃存顆粒，是固態(tài)硬盤的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部件。

NAND閃存

1989年，東芝公司發(fā)表了NAND閃存結(jié)構(gòu)，每比特的成本降低的同時(shí)擁有更高的性能，擦除壽命也比NOR閃存高出很多。

不過(guò)NAND閃存的I/O接口沒(méi)有可供隨機(jī)存取的外部地址總線，它必須以區(qū)塊性的方式進(jìn)行讀取，相對(duì)更高的錯(cuò)誤率也需要ECC糾錯(cuò)引擎的幫助，這些特點(diǎn)使得NAND閃存不能直接與CPU通信，而是需要有特定的控制器，也就是我們?cè)诠虘B(tài)硬盤當(dāng)中見(jiàn)到的主控。下圖是東芝TR200固態(tài)硬盤的TC58NC1010GSB主控芯片：

在很長(zhǎng)的一段時(shí)間里，閃存和CPU一樣利用制程微縮不斷發(fā)展，同時(shí)還依靠SLC、MLC到TLC的方式增加存儲(chǔ)密度，提升閃存容量并降低成本。從數(shù)碼相機(jī)、存儲(chǔ)卡擴(kuò)展到更大容量的固態(tài)硬盤，逐漸普及到每一臺(tái)家用電腦。下圖是東芝在2007年使用56nm工藝制造的8Gb NAND閃存。

直到在1x nm工藝時(shí)陷入瓶頸，由于尺寸的縮小，閃存單元浮柵層當(dāng)中能夠容納的電子數(shù)量降低到了一個(gè)危險(xiǎn)的水平，使得存儲(chǔ)在閃存當(dāng)中的數(shù)據(jù)更加容易出錯(cuò)。同時(shí)，由于隧道氧化層不斷變薄，閃存的擦寫壽命也下降了。

早在2007年，作為閃存世界的締造者，東芝就預(yù)見(jiàn)到了這種情況，并宣布了全球首個(gè)三維閃存技術(shù)(東芝存儲(chǔ)器官網(wǎng)介紹)，也就是現(xiàn)在的BiCS Flash。

BiCS Flash使用Charge Trap取代了2D時(shí)代的Floating Gate結(jié)構(gòu)，并將其改造為可在垂直方向堆疊的形態(tài)。

BiCS三維閃存的問(wèn)世使得閃存發(fā)展重新充滿了生機(jī)，更大的存儲(chǔ)單元體積能夠容納更多的電子，閃存的耐久度以及可靠性得到大幅的提升。

提升閃存單元在垂直方向的堆疊層數(shù)，即可擴(kuò)展BiCS閃存的存儲(chǔ)密度。

同時(shí)，BiCS三維閃存也可以像過(guò)去2D平面閃存那樣將多個(gè)閃存芯片堆疊起來(lái)封裝到同一個(gè)顆粒當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)更高的閃存容量。

為降低干擾，東芝還率先在3D閃存當(dāng)中應(yīng)用先進(jìn)的TSV硅通孔技術(shù)取代過(guò)去引線鍵合工藝，提高了閃存的可靠性。

除了BiCS三維閃存之外，東芝還在今年宣布了3D XL高性能閃存，通過(guò)使用更短的位線和字線，并設(shè)計(jì)更多的Plane平面來(lái)實(shí)現(xiàn)將閃存延遲降低十倍的目標(biāo)，滿足未來(lái)企業(yè)級(jí)高性能計(jì)算對(duì)于閃存的需求。

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