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        神秘的3D NAND

        2016-05-14 05:07:28藍(lán)色
        個(gè)人電腦 2016年5期
        關(guān)鍵詞:堆棧東芝制程

        藍(lán)色

        傳統(tǒng)的平面NAND閃存現(xiàn)在還談不上窮途末路,其目前的主流工藝是15/16nm,但10/9nm的節(jié)點(diǎn)很可能是平面NAND最后的機(jī)會(huì)了。而3D NAND閃存還會(huì)繼續(xù)走下去,目前的堆棧層數(shù)不過32-48層,廠商們還在研發(fā)64層甚至更高層數(shù)的堆棧技術(shù)。

        就在上個(gè)月底,武漢新芯科技主導(dǎo)的國家級(jí)存儲(chǔ)器產(chǎn)業(yè)基地正式動(dòng)工,在大基金的支持下該項(xiàng)目將投資240億美元建設(shè)國內(nèi)最大、最先進(jìn)的存儲(chǔ)器芯片生產(chǎn)基地。如此巨額的投資使得該項(xiàng)目爭議不小,不過更應(yīng)該注意的是,國內(nèi)公司這次“進(jìn)軍”存儲(chǔ)芯片的起點(diǎn)不低,新建的12寸晶圓廠投產(chǎn)后可直接生產(chǎn)3D NAND閃存——這可是當(dāng)前閃存市場的大熱門,可謂是來勢兇猛。那么,3D NAND閃存市場現(xiàn)在的近況到底是個(gè)什么樣呢?

        從三星的840系列硬盤再到Intel剛發(fā)布的DC P3520硬盤,三星、SK Hynix、東芝/閃迪、Intel/美光這四大NAND豪門都已經(jīng)涉足了3D NAND閃存,而且可以預(yù)見這種趨勢還會(huì)繼續(xù)下去,毫無疑問,會(huì)有越來越多的閃存及SSD硬盤都會(huì)轉(zhuǎn)向3D NAND技術(shù)。有鑒于此,我們就簡單向讀者介紹一下3D NAND閃存,并匯總目前四大NAND豪門所使用的3D NAND閃存規(guī)格及特色。

        什么是3D NAND閃存?

        從新聞到評(píng)測,我們對(duì)3D NAND閃存的報(bào)道已經(jīng)非常多了,3D NAND的出鏡率近期也是相當(dāng)高,那么什么是3D NAND閃存呢?我們不妨再來復(fù)習(xí)一下。

        在3D NAND這一概念出現(xiàn)之前,市面上的閃存多屬于Planar NAND,即平面閃存,也稱為2D NAND(或者直接省掉 “2D”前綴)。而對(duì)于3D 閃存,顧名思義,它指的是立體的堆疊方式,Intel之前用蓋樓為例介紹了3D NAND,普通NAND是平房,那么3D NAND就是高樓大廈,建筑面積瞬間就多起來了,且理論上可以無限堆疊。

        另外,3D NAND閃存也不再是簡單的平面內(nèi)存堆棧(這只是其中的一種方式),還包括有VC垂直通道、VG垂直柵極這兩種結(jié)構(gòu)。

        3D NAND閃存有什么優(yōu)勢?

        在回答3D NAND閃存有什么優(yōu)勢之前,我們先要了解平面NAND遇到了怎樣的問題——NAND閃存不僅有SLC、MLC和TLC類型之分,為了進(jìn)一步提高容量、降低成本,NAND的制程工藝也在不斷進(jìn)步,從早期的50nm一路狂奔到目前的15/16nm。但NAND閃存跟處理器不一樣,先進(jìn)工藝雖然帶來了更大的容量,但NAND閃存的制程工藝是把雙刃劍,在容量提升、成本降低的同時(shí),閃存的可靠性及性能都在下降,因?yàn)楣に囋较冗M(jìn),NAND的氧化層越薄,可靠性也就越差,為此,廠商就需要采取額外的手段來彌補(bǔ),但這又會(huì)變相提高制造成本,以致于在達(dá)到某個(gè)性能和成本的平衡點(diǎn)之后,制程工藝已經(jīng)無法再帶來優(yōu)勢了。

        相比之下,3D NAND解決問題的思路就不一樣了,為了提高NAND的容量、降低成本,廠商不需要費(fèi)勁心思去提高制程工藝了,轉(zhuǎn)而去堆疊更多的層數(shù)就可以了,這樣一來,3D NAND閃存的容量、性能、可靠性都有了保證。比如東芝的15nm NAND容量密度為1.28Gb/mm?,而三星32層堆棧的3D NAND可以輕松達(dá)到1.87Gb/mm?,48層堆棧的甚至可以達(dá)到2.8Gb/mm?。

        當(dāng)然,傳統(tǒng)的平面NAND閃存現(xiàn)在還談不上窮途末路,其目前的主流工藝是15/16nm,但10/9nm的節(jié)點(diǎn)很可能是平面NAND最后的機(jī)會(huì)了。而3D NAND閃存還會(huì)繼續(xù)走下去,目前的堆棧層數(shù)不過32-48層,廠商們還在研發(fā)64層甚至更高層數(shù)的堆棧技術(shù)。

        四大NAND豪門的3D NAND閃存及特色

        在主要的NAND廠商中,三星最早實(shí)現(xiàn)了3D NAND的量產(chǎn),其他幾家公司在3D NAND閃存量產(chǎn)上則要落后三星至少2年時(shí)間,Intel、美光去年才推出3D NAND閃存,Intel本月初才發(fā)布了首款采用3D NAND閃存的SSD,且主要是面向企業(yè)級(jí)的市場。

        這四大豪門的3D NAND閃存所用的技術(shù)各不相同,堆棧的層數(shù)也不一樣。值得一提的是,除了常規(guī)3D NAND閃存之外,Intel還開發(fā)了新型的3D XPoint閃存,它跟目前的3D閃存有很大不同,應(yīng)該屬于殺手锏級(jí)產(chǎn)品,非常值得關(guān)注。

        上述3D NAND閃存中,由于廠商通常不會(huì)公布很多技術(shù)細(xì)節(jié),特別是很少提及具體的制程工藝,因此目前可供介紹的內(nèi)容比較有限。事實(shí)上,除了三星以外,其他廠商的3D NAND閃存才剛剛開始推向市場,也鮮有代表性的產(chǎn)品。

        三星:最早量產(chǎn)的V-NAND閃存

        三星不僅是NAND閃存市場中最強(qiáng)大的廠商之一,而且在3D NAND閃存上也是一路領(lǐng)先,他們最早在2013年就開始了量產(chǎn)3D NAND閃存。在3D NAND路線上,三星曾研究過多種方案,最終量產(chǎn)的是VG垂直柵極結(jié)構(gòu)的V-NAND閃存,目前已經(jīng)發(fā)展了三代V-NAND技術(shù),堆棧層數(shù)從之前的24層提高到了48層,TLC類型的3D NAND核心容量可達(dá)到256Gb容量,在自家的840、850及950系列SSD上都有使用。

        毫無疑問,三星在3D NAND閃存領(lǐng)域具有顯著的技術(shù)、資金優(yōu)勢,同時(shí),他們還首先選擇了CTF電荷擷取閃存(charge trap flash,簡稱CTF)路線,相比傳統(tǒng)的FG(Floating Gate,浮柵極)技術(shù)難度要相對(duì)小一些,這多少也幫助三星贏得了一定的時(shí)間優(yōu)勢。

        東芝/閃迪:獨(dú)辟蹊徑的BiCS技術(shù)

        東芝是閃存技術(shù)的發(fā)明人,盡管現(xiàn)在的份額和產(chǎn)能被三星超越,不過東芝在NAND技術(shù)領(lǐng)域依然非常強(qiáng)大。事實(shí)上,東芝很早就開始了3D NAND的研發(fā)工作,2007年他們獨(dú)辟蹊徑地推出了BiCS技術(shù)的3D NAND——之前我們也提到了,2D NAND閃存可以通過堆棧作出3D NAND閃存,說起來簡單,但制造工藝十分復(fù)雜,要求很高,而東芝的BiCS閃存則是Bit Cost Scaling,它強(qiáng)調(diào)的就是隨NAND規(guī)模增加而降低成本,號(hào)稱在所有3D NAND閃存中BiCS技術(shù)的閃存核心面積最低,當(dāng)然這也意味著成本更低。

        東芝和閃迪是戰(zhàn)略合作伙伴,雙方在NAND領(lǐng)域是共享技術(shù)的,他們的BiCS閃存去年開始量產(chǎn),目前的堆棧層數(shù)是48層,MLC類型的核心容量128Gb,TLC類型的容量可達(dá)256Gb,預(yù)計(jì)會(huì)在日本四日市的Fab 2工廠規(guī)模量產(chǎn),2016年就可以大量出貨了。

        SK Hynix:悶聲發(fā)財(cái)?shù)?D NAND

        在這幾家NAND廠商中,SK Hynix的3D NAND最為低調(diào),相關(guān)報(bào)道很少,以致于我們找不到太多SK Hynix的3D NAND閃存資料。不過,從其官網(wǎng)公布的信息來看,SK Hynix的3D NAND閃存已經(jīng)發(fā)展了3代了,2014年Q4推出的第一代,2015年Q3季度推出的第二代,去年Q4推出的則是第三代3D NAND閃存,只不過前面三代產(chǎn)品主要面向eMCC 5.0/5.1、UFS 2.0等移動(dòng)市場,今年推出的第四代3D NAND閃存則會(huì)針對(duì)UFS 2.1、SATA及PCI-E產(chǎn)品市場。

        SK Hynix的3D NAND閃存堆棧層數(shù)從36層起步,不過真正量產(chǎn)的是48層堆棧的3D NAND閃存,MLC類型的容量128Gb,TLC類型的也可以做到256Gb容量。

        Intel/美光:容量最高的3D NAND閃存

        這幾家廠商中,Intel、美光的3D NAND閃存推出的最晚,去年才算正式亮相,不過好菜不怕晚,雖然進(jìn)度上落后了點(diǎn),但I(xiàn)MFT的3D NAND有很多獨(dú)特之處。首先,他們的3D NAND是第一款采用FG浮柵極技術(shù)量產(chǎn)的產(chǎn)品,所以在成本及容量上更有優(yōu)勢,其MLC類型閃存核心容量就有256Gb,而TLC閃存則可以做到384Gb,是目前TLC類型3D NAND閃存中容量最大的。

        當(dāng)然,384Gb的容量還不是終點(diǎn),今年的ISSCC大會(huì)上美光還公布了容量高達(dá)768Gb的3D NAND閃存論文,雖然短時(shí)間可能不會(huì)量產(chǎn),但已經(jīng)給我們帶來了新的希望。

        Intel的殺手锏:3D XPoint閃存

        IMFT在3D NAND閃存上進(jìn)展緩慢已經(jīng)引起了Intel的不滿,雖然雙方表面上還很和諧,但不論是16nm閃存還是3D閃存,Intel跟美光似乎都有分歧,最明顯的例子就是Intel都開始采納友商的閃存供應(yīng)了,最近發(fā)布的540s系列硬盤就用了SK Hynix的16nm TLC閃存,沒有用IMFT的。

        Intel、美光不睦的證據(jù)還有一個(gè)比較明顯的例子——那就是Intel甩開美光在中國大連投資55億升級(jí)晶圓廠,準(zhǔn)備量產(chǎn)新一代閃存,且很可能就是3D XPoint閃存,這可是Intel的殺手锏。

        關(guān)于3D XPoint閃存,我們之前也進(jìn)行過較為詳實(shí)的介紹,根據(jù)Intel官方的說法,3D XPoint閃存各方面都超越了目前的內(nèi)存及閃存,性能是普通顯存的1000倍,可靠性也是普通閃存的1000倍,容量密度是內(nèi)存的10倍,而且是非易失性的,斷電也不會(huì)損失數(shù)據(jù)。

        由于還沒有上市,而且Intel對(duì)3D XPoint閃存守口如瓶,所以我們無法確定3D XPpoint閃存背后到底是什么,不過比較靠譜的說法是基于PCM相變存儲(chǔ)技術(shù),Intel本來就是做存儲(chǔ)技術(shù)起家的,雖然現(xiàn)在的主業(yè)是處理器,但存儲(chǔ)技術(shù)從來沒放松過,在PCM相變技術(shù)上也研究了20多年了,現(xiàn)在率先取得突破也并不意外。

        相比目前的3D NAND閃存,3D XPoint閃存有可能同時(shí)取代現(xiàn)有的NAND及DRAM內(nèi)存,因?yàn)樗瑫r(shí)具備這兩方面的優(yōu)勢,所以除了做各種規(guī)格的SSD硬盤之外,Intel還準(zhǔn)備推出DIMM插槽的3D XPoint硬盤。也許3D XPoint暫時(shí)還無法替代DDR內(nèi)存,但考慮到技術(shù)的突飛猛進(jìn),未來一切皆有可能。

        最后,再回到文章開頭提到的問題上——中國大陸現(xiàn)在也把存儲(chǔ)芯片作為重點(diǎn)來抓,武漢新芯科技(XMC)已經(jīng)在武漢開工建設(shè)12英寸晶圓廠,第一個(gè)目標(biāo)就是NAND閃存,而且是直接切入3D NAND閃存,他們的3D NAND技術(shù)來源于飛索半導(dǎo)體(Spansion),而后者又是1993年AMD和富士通把雙方的NOR閃存部門合并而來,后來他們又被賽普拉斯半導(dǎo)體以40億美元的價(jià)格收購。

        2015年新芯科技與飛索半導(dǎo)體達(dá)成了合作協(xié)議,雙方合作研發(fā)、生產(chǎn)3D NAND閃存,主要以后者的MirrorBit閃存技術(shù)為基礎(chǔ),遺憾的是,我們搜遍了網(wǎng)絡(luò)也沒找到多少有關(guān)MirrorBit的技術(shù)資料。這兩家公司的閃存技術(shù)多是NOR領(lǐng)域的,3D NAND顯然是比不過三星、SK Hynix及東芝等公司的,有一種說法是MirrorBit的堆棧層數(shù)只有8層,如果真是這樣,相比主流的32-48層堆棧就差很遠(yuǎn)了,成本上很難會(huì)有什么優(yōu)勢?!?/p>

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