东芝:闪存从问世到未来

上世纪八十年代,东芝发明了闪存。NOR闪存问世较早,而现在应用更广泛的则是稍晚些时候出现的NAND型闪存。他们之间有什么区别,NOR闪存现在还存在吗?



NOR闪存


相比NAND的闪存,NOR闪存的容量偏小,但是读取速度很快,但是写入和擦除的速度偏慢。



NOR闪存允许随机存取存储器上的任何区域,可以支持XIR(eXecute In Place)片内执行,在一些简单功能的设备当中,代码可以无需事先加载到DRAM内存,而是直接在NOR闪存内执行,正是由于这个特别的优势,现在NOR目前并没有因为容量上的劣势而消失。



除了主板BIOS之外,电脑当中的NOR闪存还存在于一些早期型号的固态硬盘当中。下图当中红色圈内的就是一颗SPI接口的NOR闪存,主要用于存储固态硬盘的固件。黄色圈内的则是东芝NAND型闪存颗粒,是固态硬盘的数据存储部件。



NAND闪存


1989年,东芝公司发表了NAND闪存结构,每比特的成本降低的同时拥有更高的性能,擦除寿命也比NOR闪存高出很多。


不过NAND闪存的I/O接口没有可供随机存取的外部地址总线,它必须以区块性的方式进行读取,相对更高的错误率也需要ECC纠错引擎的帮助,这些特点使得NAND闪存不能直接与CPU通信,而是需要有特定的控制器,也就是我们在固态硬盘当中见到的主控。下图是东芝TR200固态硬盘的TC58NC1010GSB主控芯片:



在很长的一段时间里,闪存和CPU一样利用制程微缩不断发展,同时还依靠SLC、MLC到TLC的方式增加存储密度,提升闪存容量并降低成本。从数码相机、存储卡扩展到更大容量的固态硬盘,逐渐普及到每一台家用电脑。下图是东芝在2007年使用56nm工艺制造的8Gb NAND闪存。



直到在1x nm工艺时陷入瓶颈,由于尺寸的缩小,闪存单元浮栅层当中能够容纳的电子数量降低到了一个危险的水平,使得存储在闪存当中的数据更加容易出错。同时,由于隧道氧化层不断变薄,闪存的擦写寿命也下降了。



早在2007年,作为闪存世界的缔造者,东芝就预见到了这种情况,并宣布了全球首个三维闪存技术(东芝存储器官网介绍),也就是现在的BiCS Flash。



BiCS Flash使用Charge Trap取代了2D时代的Floating Gate结构,并将其改造为可在垂直方向堆叠的形态。



BiCS三维闪存的问世使得闪存发展重新充满了生机,更大的存储单元体积能够容纳更多的电子,闪存的耐久度以及可靠性得到大幅的提升。



提升闪存单元在垂直方向的堆叠层数,即可扩展BiCS闪存的存储密度。



同时,BiCS三维闪存也可以像过去2D平面闪存那样将多个闪存芯片堆叠起来封装到同一个颗粒当中,实现更高的闪存容量。



为降低干扰,东芝还率先在3D闪存当中应用先进的TSV硅通孔技术取代过去引线键合工艺,提高了闪存的可靠性。



除了BiCS三维闪存之外,东芝还在今年宣布了3D XL高性能闪存,通过使用更短的位线和字线,并设计更多的Plane平面来实现将闪存延迟降低十倍的目标,满足未来企业级高性能计算对于闪存的需求。

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