關(guān)于4D NAND和長(zhǎng)江存儲(chǔ)Xtacking的對(duì)比分析介紹

Flash Memory Summit正在美國(guó)舉行。昨天，關(guān)于此次峰會(huì)，行業(yè)主要關(guān)注的焦點(diǎn)就是我國(guó)的長(zhǎng)江存儲(chǔ)在會(huì)上正式發(fā)布了全新的3D NAND架構(gòu)：Xtacking。

今天，SK海力士成為了另一家備受關(guān)注的企業(yè)，因?yàn)樵?a target="_blank">公司在峰會(huì)上宣布推出全球首款4D NAND閃存。

當(dāng)下，3D NAND發(fā)展的如火如荼，而且相應(yīng)技術(shù)仍處于前沿地帶，而SK海力士的宣傳更加吸引眼球，直接推4D產(chǎn)品。

4D閃存技術(shù)并不是SK海力士發(fā)明的。據(jù)悉，該技術(shù)最早是由APlus Flash Technology公司提出的，其技術(shù)原理是NAND+類DRAM的混合型存儲(chǔ)器，采用了“一時(shí)多工”的平行架構(gòu)，而3D-NAND只能執(zhí)行“一時(shí)一工”。若一到十工同時(shí)在4D閃存系統(tǒng)執(zhí)行時(shí)，其速度會(huì)比3D-NAND快一到十倍。

打個(gè)比方，按照愛(ài)因斯坦的“相對(duì)論”， 時(shí)間已不是常數(shù)，因此，可以認(rèn)為時(shí)間在4D閃存系統(tǒng)中變長(zhǎng)了，從而能夠處理更多的事情。反之，時(shí)間在3D-NAND系統(tǒng)中可以認(rèn)為變短了，則處理的事情也就少了。

總的來(lái)說(shuō)，4D閃存的設(shè)計(jì)理念是集前端高速易失性DRAM和后端低成本、非易失性的3D-NAND于一身，巧妙地克服了3D-NAND的缺點(diǎn)。4D閃存是“統(tǒng)一型設(shè)計(jì)”架構(gòu)，在制程工藝不變的情況下，可直接應(yīng)用到各種3D-NAND上。

4D NAND究竟如何？

實(shí)際上，SK海力士在今年5月25日就正式發(fā)布了4D NAND產(chǎn)品：96層堆疊的512Gb TLC。本次峰會(huì)上，該公司更具體地介紹了該款產(chǎn)品。

SK海力士稱其是業(yè)內(nèi)第一款4D閃存：V5 512Gb TLC，采用96層堆疊、I/O接口速度1.2Gbps（ONFi 4.1標(biāo)準(zhǔn)）、面積13平方毫米，今年第四季度出樣。

此外，BGA封裝的可以做到1Tb（128GB），模組最大2TB，若放到2.5英寸的U.2中，則可以做到64TB，2019年上半年出樣。

性能方面，V5 4D閃存芯片的面積相較于V4 3D產(chǎn)品減小了20%、讀速提升30%、寫(xiě)速提升25%。另外，V5 4D閃存也規(guī)劃了QLC產(chǎn)品，通過(guò)96層堆疊，單Die最小1Tb，明年下半年出樣。

據(jù)悉，SK海力士?jī)?nèi)部的4D閃存已經(jīng)推進(jìn)到了128層堆疊，很快可以做到單芯片512GB。

該公司曾于2015年做到單芯片8TB。目前，SK海力士的3D NAND是72層堆疊，單芯片最大512Gb（64GB），首款企業(yè)級(jí)產(chǎn)品PE4010已于今年6月份出貨給微軟Azure服務(wù)器。

峰會(huì)上，SK海力士還闡述了其3D NAND的技術(shù)路線選擇，該公司稱，CTF（Charge Trap Flash，電荷捕獲型）比Floating Gate（浮柵型）存儲(chǔ)單元面積更小、速度更快、更耐用（P/E次數(shù)多）。

而三星公司從2013年的第一代V-NAND 3D閃存就開(kāi)始使用CTF了，東芝/西數(shù)（閃迪）的BiCS亦是如此。當(dāng)然，美光/Intel還是堅(jiān)持浮柵，不過(guò)這倒無(wú)所謂，畢竟他們有更厲害的3D Xpoint（基于相變內(nèi)存，還有一種說(shuō)法是ReRAM磁阻式內(nèi)存）。

另一家巨頭——美光在峰會(huì)上推出了“CuA”，用于美光的第四代3D NAND中。CuA是CMOS under Array的縮寫(xiě)，即將外圍CMOS邏輯電路襯于存儲(chǔ)芯片下方，它有三大好處，提高了存儲(chǔ)密度、降低了成本、縮短了制造周期。號(hào)稱比第三代（96層堆疊）寫(xiě)入帶寬提升30%、每存儲(chǔ)位的能耗降低40%。

禁不住做個(gè)比較

在本次Flash Memory Summit峰會(huì)上，SK海力士和我國(guó)的長(zhǎng)江存儲(chǔ)先后都推出了前沿的閃存技術(shù)，不免要進(jìn)行一下比較。

長(zhǎng)江存儲(chǔ)推出了Xtacking架構(gòu)，其將外圍電路置于存儲(chǔ)單元之上，從而實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)3D NAND更高的存儲(chǔ)密度；其最大的特點(diǎn)是高速I/O，高存儲(chǔ)密度，以及更短的產(chǎn)品上市周期。特別是在I/O速度方面，目前，世界上最快的3D NAND I/O速度的目標(biāo)值是1.4Gbps，而大多數(shù)供應(yīng)商僅能供應(yīng)1.0 Gbps或更低的速度。利用Xtacking技術(shù)有望大幅提升NAND的I/O速度至3.0Gbps，這與DRAM DDR4的I/O速度相當(dāng)。

據(jù)悉，長(zhǎng)江存儲(chǔ)已經(jīng)把這項(xiàng)技術(shù)運(yùn)用到相應(yīng)的存儲(chǔ)產(chǎn)品中（可能是64層堆疊的），預(yù)計(jì)明年開(kāi)始量產(chǎn)，采用14nm制程工藝。

而SK海力士的4D閃存的外圍電路和Xtacking正相反，在存儲(chǔ)單元下方，據(jù)說(shuō)這種設(shè)置的好處有三點(diǎn)，一是芯片面積更小、二是縮短了處理工時(shí)、三是降低了成本。

可見(jiàn)，長(zhǎng)江存儲(chǔ)的Xtacking更強(qiáng)調(diào)存儲(chǔ)密度和高速的I/O，而SK海力士的4D閃存更強(qiáng)調(diào)集成度和成本。這也是和兩家企業(yè)的基本狀況相符的。

由于SK海力士是當(dāng)今全球三大存儲(chǔ)器廠商之一，其規(guī)模和技術(shù)功底肯定是明顯高于長(zhǎng)江存儲(chǔ)的。SK海力士4D閃存已經(jīng)做到了96層堆疊，而長(zhǎng)江存儲(chǔ)的第一代產(chǎn)品今年底才量產(chǎn)，采用的是32層堆疊，其全線產(chǎn)品的總體存儲(chǔ)密度是低于SK海力士的，因此，“缺什么補(bǔ)什么”，Xtacking重點(diǎn)關(guān)注存儲(chǔ)密度也就順理成章了。且Xtacking的最大特點(diǎn)是I/O速度，高達(dá)3.0Gbps，明顯高于SK海力士的1.2Gbps，如果Xtacking能夠順利量產(chǎn)的話，I/O指標(biāo)真能達(dá)到3.0Gbps，那也是業(yè)界首創(chuàng)了，再加上中國(guó)本土產(chǎn)品先天的成本優(yōu)勢(shì)，還是相當(dāng)有競(jìng)爭(zhēng)力的。

如前文所述，4D閃存的技術(shù)原理是NAND+類DRAM的混合型存儲(chǔ)器，集前端高速易失性DRAM和后端低成本、非易失性的3D-NAND于一身。而Xtacking具有3.0Gbps的I/O吞吐量，很可能是在類DRAM層面實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破，我們知道，長(zhǎng)江存儲(chǔ)是主攻NAND閃存的，取得上述突破，可見(jiàn)其在存儲(chǔ)器整體技術(shù)水平上已經(jīng)具有了比較強(qiáng)的實(shí)力（當(dāng)然，相對(duì)于幾家國(guó)際大廠，還是有明顯差距的），在這方面，后續(xù)很可能會(huì)有新看點(diǎn)和驚喜，值得期待。

反觀SK海力士的4D閃存，由于其96層（128層估計(jì)也不遠(yuǎn)了）堆疊在存儲(chǔ)密度上已經(jīng)很有競(jìng)爭(zhēng)力了，所以該公司將關(guān)注的焦點(diǎn)放在了集成度和成本上。集成度方面自不必說(shuō)，所有數(shù)字和邏輯電路的大勢(shì)。

看點(diǎn)在成本上，由于中國(guó)相當(dāng)重視存儲(chǔ)器產(chǎn)業(yè)，國(guó)家大力支持，無(wú)論是DRAM，還是NAND Flash，都有大項(xiàng)目先后上馬，且今明兩年陸續(xù)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，這給一直壟斷全球存儲(chǔ)器市場(chǎng)的那幾家大廠施加了不小的壓力。中國(guó)一旦在技術(shù)和量產(chǎn)層面突破，其先天的成本優(yōu)勢(shì)很可能對(duì)幾家大廠的中低端產(chǎn)品形成摧枯拉朽的態(tài)勢(shì)。因此，SK海力士將前沿產(chǎn)品的成本放在重要考量位置，也可以算是未雨綢繆了。

結(jié)語(yǔ)

回顧NAND發(fā)展史，從1991年推出8Mb的2D-NAND，到2017年推出512Gb的3D-NAND為止，共花了26年。若以“摩爾定律”每?jī)赡耆萘糠队?jì)算，應(yīng)只能增加213倍。但實(shí)際上，NAND容量卻增加了21?倍。

3D-NAND延續(xù)了2D-NAND高容量、低成本等優(yōu)點(diǎn)，但也遺傳了其讀寫(xiě)速度慢、資料品質(zhì)差等缺點(diǎn)。這些說(shuō)明3D-NAND仍有很大的成長(zhǎng)空間，除了那幾家傳統(tǒng)巨頭外，新玩家紫光（長(zhǎng)江存儲(chǔ)）、旺宏、Cypress等，也在陸續(xù)推出新型3D-NAND，加入戰(zhàn)局。

至于命名方面，是4D閃存，還是在3D基礎(chǔ)上取個(gè)吸引眼球的名字，就顯得不那么重要了。