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從晶體管的出現(xiàn)開始，到大數(shù)據(jù)時(shí)代的今天，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展日益繁榮，存儲(chǔ)器己經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電子、互聯(lián)網(wǎng)、國防、航天等領(lǐng)域，其重要性更加突出。FLASH(閃存)、DRAM 和SRAM是當(dāng)代主流的存儲(chǔ)技術(shù)。靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(Static Random Access Memory，SRAM)，其優(yōu)勢(shì)在于存儲(chǔ)速度快，約3~10ns，但是存儲(chǔ)容量小，約100Mb，并且具有易失性；作為動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(Dynamic Random Access Memory，DRAM)，其器件密度很高，但是存儲(chǔ)速度約10~30ns和存儲(chǔ)容量一般約10~100Gb，待機(jī)功耗大，并且也具有易失性；閃存的存儲(chǔ)速度一般約在ms量級(jí)，優(yōu)點(diǎn)是存儲(chǔ)容量大，約100~100Gb)，具有非易失性。

1.非易失性存儲(chǔ)器

非易失性存儲(chǔ)器主要包括ROM，EPROM，EEPROM和閃存存儲(chǔ)器，另外還有新型的非易失性存儲(chǔ)器，例如：RRAM、MRAM、PCM等。非易失性存儲(chǔ)器的共性是系統(tǒng)斷電后，器件內(nèi)存儲(chǔ)的信息能夠保留。ROM 和EPROM曾是非易失性存儲(chǔ)器市場(chǎng)的中流砥柱，現(xiàn)在被通用性更強(qiáng)的閃存存儲(chǔ)器替代。閃存存儲(chǔ)器因?yàn)槠浯鎯?chǔ)容量大、成本低、存儲(chǔ)速度可觀等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為半導(dǎo)體存儲(chǔ)器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展重心。閃存存儲(chǔ)器的應(yīng)用可分為兩大市場(chǎng)：一種是用于代碼存儲(chǔ)的市場(chǎng)，由于其需要快速的隨機(jī)存取速度，NOR型閃存存儲(chǔ)單元最適合這個(gè)市場(chǎng)；另一種是用于文件存儲(chǔ)的市場(chǎng)，NAND型閃存存儲(chǔ)單元更適用于文件存儲(chǔ)市場(chǎng)。

2.NAND閃存存儲(chǔ)器概述

2.1 2D NAND閃存存儲(chǔ)器

2D NAND閃存存儲(chǔ)器按照單元結(jié)構(gòu)的不同又分為兩種：一種是傳統(tǒng)的浮柵型存儲(chǔ)器；一種是電荷俘獲型存儲(chǔ)器。

2.1.1浮柵型NAND閃存存儲(chǔ)器

浮柵型NAND閃存存儲(chǔ)器首次被提出是在1967年，其單元結(jié)構(gòu)示意圖如下圖，與場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)類似，但NAND浮柵存儲(chǔ)器是雙柵結(jié)構(gòu)，在控制柵和襯底之間加了一層多晶硅浮置柵極，用來存儲(chǔ)電荷。其中，控制柵極是一層多晶硅材料，浮柵的材料也大多為多晶硅材料，它由電荷隧穿層和電荷阻擋層與襯底和控制柵隔離，電荷阻擋層是一層氧化物或一層ONO(二氧化硅-氮化硅-二氧化硅)結(jié)構(gòu)，電荷隧穿層也是一層氧化物。浮柵型NAND閃存存儲(chǔ)器就是通過外加電場(chǎng)時(shí)，向中間層的浮柵注入或不注入電子來實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)功能的，即使在不加外電場(chǎng)的情況下，長時(shí)間放置器件，電荷也會(huì)保留在浮柵中，不會(huì)發(fā)生明顯流失，所以該結(jié)構(gòu)具有非易失性。

2.1.2電荷俘獲型NAND閃存存儲(chǔ)器

以SONOS結(jié)構(gòu)為代表的電荷俘獲型存儲(chǔ)器也能實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)，其單元結(jié)構(gòu)示意圖如下圖。從圖中可以看出電荷俘獲型存儲(chǔ)器的單元結(jié)構(gòu)同浮柵型存儲(chǔ)器的單元結(jié)構(gòu)類似，其中，柵極材料是多晶硅材料，電荷阻擋層是一層氧化物，電荷俘獲層是氮化硅材料，電荷隧穿層是一層氧化物或一層ONO(二氧化硅-氮化硅-二氧化硅)結(jié)構(gòu)。與浮柵型存儲(chǔ)器不同，該結(jié)構(gòu)是利用電荷俘獲層材料本身的深能級(jí)缺陷來俘獲電子實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)功能的。

2.2 3D NAND閃存存儲(chǔ)器

3D堆疊思路是閃存存儲(chǔ)器技術(shù)發(fā)展過程中一次顛覆傳統(tǒng)的創(chuàng)新，也是現(xiàn)代閃存工藝技術(shù)的一次重大突破。在初期階段，市場(chǎng)上有很多3D NAND閃存工藝技術(shù)，發(fā)展到如今，最常見也最成熟的3D NAND閃存工藝大致分為兩類：一類是東芝公司(Toshiba)提出的 BiCS結(jié)構(gòu)，另外一類是三星公司(SAMSUNG)提出的TCAT結(jié)構(gòu)。雖然BiCS結(jié)構(gòu)與TCAT結(jié)構(gòu)在沉積材料以及打孔細(xì)節(jié)上有一些不同，但兩者的基本工藝步驟都分為三步：Step1、在襯底上交替沉積多層材料；Step2、在垂直方向上進(jìn)行打孔；Step3、在孔內(nèi)沉積溝道材料及必要的介質(zhì)材料，如下圖所示。3D NAND閃存制造工藝水平很大程度上能夠決定存儲(chǔ)芯片的表現(xiàn)性能。

隨著工藝技術(shù)的不斷改良，各大公司的堆疊層數(shù)以每年至少16層的速度增長。大多數(shù)廠商的成熟3D NAND閃存產(chǎn)品都達(dá)到了64層甚至96層，預(yù)計(jì)到下一個(gè)階段堆疊層將達(dá)到120層以上，單個(gè)閃存芯片的容量有望突破Gb邁向Tb級(jí)別。

3.固態(tài)硬盤(SSD)

長期以來，機(jī)械硬盤(HDD)一直作為數(shù)據(jù)中心主要的存儲(chǔ)設(shè)備存在，在企業(yè)存儲(chǔ)市場(chǎng)獨(dú)占鰲頭。機(jī)械硬盤內(nèi)部包括一至數(shù)片高速轉(zhuǎn)動(dòng)的磁盤，其存取速度的快慢取決于盤片的旋轉(zhuǎn)速度，但是旋轉(zhuǎn)速度的提高會(huì)帶來發(fā)熱、 磨損等諸多問題，在現(xiàn)有機(jī)械技術(shù)上想要大幅提高機(jī)械硬盤的轉(zhuǎn)速已經(jīng)十分困難，因此機(jī)械硬盤讀寫速度的提升必然面臨天花板，很難再獲得較大的飛躍。與HDD硬盤相比，閃存具有傳輸速率高、延遲低、能耗低、噪聲低、抗震等優(yōu)良特性。固態(tài)硬盤(SSD)是目前閃存存儲(chǔ)的最主要形式， 主要由兩大模塊組成：主控和閃存顆粒。當(dāng)下主流的閃存顆粒主要是NAND FLASH，它具有高密度、成本低的優(yōu)勢(shì)。SSD的容量主要就取決于閃存顆粒，而閃存顆粒是由晶體管組成的，晶體管越小，閃存的密度就越高，相對(duì)應(yīng)的SSD的容量就越大?？梢詮亩鄠€(gè)維度對(duì)SSD進(jìn)行分類，如下表所示：

(一)從SSD的接口類型進(jìn)行區(qū)分，目前市場(chǎng)上的企業(yè)級(jí)SSD主要包括SATA/SAS SSD、 PCIe SSD等類型。在實(shí)際使用中，SATA SSD的數(shù)據(jù)交換速率在500Mbit/s到600Mbit/s之間，對(duì)比之下PCIe SSD具有更高的性能。在PCIe SSD中，傳輸速率可以在1.5Gbit/s到3Gbit/s的范圍內(nèi)。

(二)從SSD的協(xié)議類型進(jìn)行區(qū)分，SSD主要有AHCI協(xié)議和NVMe協(xié)議兩種傳輸協(xié)議，采用NVMe協(xié)議的SSD，其讀寫速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于采用AHCI協(xié)議的SSD的讀寫速度。

(三)從生產(chǎn)工藝區(qū)分，SSD包括2D NAND SSD和3D NAND SSD。目前，最先進(jìn)的2D閃存顆粒工藝是20nm，再往更小體積的晶體管發(fā)展，過小的晶體管體積和過多的晶體管數(shù)量，會(huì)降低閃存的穩(wěn)定性與可靠性，不利于閃存技術(shù)的長遠(yuǎn)發(fā)展。因此，全球各大主流閃存廠商紛紛發(fā)力3D晶體管研發(fā)，為閃存顆粒技術(shù)帶來了重大突破，徹底解決了因制程極限而無法提高閃存單位存儲(chǔ)容量的問題，閃存成品也從2D NAND SSD升級(jí)至 3D NAND SSD，同時(shí)成本也大大降低。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，3D閃存堆疊高度從30-40層，逐步發(fā)展到目前主流的64層甚至更多，從而可以實(shí)現(xiàn)更高的存儲(chǔ)密度和容量。

4.eMMC和UFS

eMMC的全稱是embedded Multi Media Card，即"嵌入式多媒體存儲(chǔ)卡"，這是一種針對(duì)手機(jī)或平板電腦等產(chǎn)品的內(nèi)嵌式存儲(chǔ)器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格。與我們常說的NAND閃存相比，eMMC閃存并不是單純的存儲(chǔ)芯片，它是在前者的基礎(chǔ)額外集成主控芯片的產(chǎn)品，并對(duì)外提供自有標(biāo)準(zhǔn)接口，作用相當(dāng)于PC上的SSD固態(tài)硬盤， 而且由于自身體積很小，因此很適合移動(dòng)設(shè)備使用。?

UFS的全稱則是Universal Flash Storage，即"通用閃存存儲(chǔ)"，同樣是 一種內(nèi)嵌式存儲(chǔ)器的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，同樣是整合有主控芯片的閃存，不過其使用的是PC平臺(tái)上常見的SCSI結(jié)構(gòu)模型并支持對(duì)應(yīng)的SCSI指令集 。 因此eMMC閃存與UFS閃存都是作為嵌入式存儲(chǔ)器使用，從作用上來說并無明顯區(qū)別。只是兩者所用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不同， 因此移動(dòng)設(shè)備無論是使用eMMC閃存還是UFS閃存，都必須支持相應(yīng)的eMMC規(guī)范或者是UFS規(guī)范。

4.1 eMMC和UFS的主要區(qū)別

雖然說eMMC閃存和UFS閃存在外觀和作用上都沒明顯區(qū)別，但是實(shí)際上兩者的內(nèi)部結(jié)構(gòu)卻有著本質(zhì)上的差異。eMMC閃存基于并行數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)打造，其內(nèi)部存儲(chǔ)單元與主控之間擁有8個(gè)數(shù)據(jù)通道，傳輸數(shù)據(jù)時(shí)8個(gè)通道同步工作，工作模式為半雙工，也就是說每個(gè)通道都可以進(jìn)行讀寫傳輸，但同一時(shí)刻只能執(zhí)行讀或者寫的操作，與PC上已經(jīng)淘汰的IDE接口硬盤很是相似。

而UFS閃存則是基于串行數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)打造，其內(nèi)部存儲(chǔ)單元與主控之間雖然只有兩個(gè)數(shù)據(jù)通道，但由于采用串行數(shù)據(jù)傳輸，其實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸時(shí)速度遠(yuǎn)超基于并行技術(shù)的eMMC閃存。此外，UFS閃存支持的是全雙工模式，所有數(shù)據(jù)通道均可以同時(shí)執(zhí)行讀寫操作，在數(shù)據(jù)讀寫的響應(yīng)速度上也要凌駕于eMMC閃存。

正因?yàn)閑MMC閃存與UFS閃存在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上存在著本質(zhì)上的區(qū)別，這讓兩者的理論帶寬產(chǎn)生了極大的差異。近年來比較常見的eMMC閃存多應(yīng)用eMMC 4.x或者5.x規(guī)范，其中eMMC 4.5常見于低端設(shè)備，理論帶寬為200MB/s，現(xiàn)在已經(jīng)基本淘汰；而eMMC 5.0/5.1標(biāo)準(zhǔn)在目前來說仍算主流，理論帶寬分別為400MB/s和600MB/s，從數(shù)字上看并不算低。 然而與UFS閃存相比，eMMC閃存的這點(diǎn)理論帶寬就不夠看了。UFS閃存的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是在2011年2月份首次亮相，當(dāng)時(shí)的UFS 1.1標(biāo)準(zhǔn)其已經(jīng)可以提供相當(dāng)于300MB/s的理論帶寬，而eMMC閃存要到2012年的eMMC 4.5標(biāo)準(zhǔn)時(shí)才可以提供200MB/s的理論速率。只是由于當(dāng)時(shí)的應(yīng)用環(huán)境以及產(chǎn)品成本等因素的限制，USF 1.1標(biāo)準(zhǔn)未能得到大規(guī)模的推廣。直到2014年UFS 2.0規(guī)范出爐后， eMMC閃存才被徹底碾壓。UFS 2.0規(guī)范分為兩部分，第一部分是UFS HS-G2規(guī)范， 也就是我們常說的UFS 2.0，其單通道單向的理論帶寬就可以達(dá)到1.45Gbps的水平， 雙通道雙向的理論帶寬就是5.8Gbps；而第二部分的UFS HS-G3標(biāo)準(zhǔn)，也就是我們常說的UFS 2.1，其理論帶寬更是UFS 2.0的2倍。

5.新型存儲(chǔ)器

目前，新型存儲(chǔ)領(lǐng)域較為成熟的技術(shù)路線主要有相變存儲(chǔ)器(PCM)、磁變存儲(chǔ)器(MRAM)以及阻變存儲(chǔ)器(RRAM)3 種。PCM通過相變材料相態(tài)的變化獲得不同的電阻值，主要用于獨(dú)立式存儲(chǔ)；MRAM通過磁性材料中磁籌的方向變化改變電阻，主要用于嵌入式存儲(chǔ)；RRAM則利用阻變材料中導(dǎo)電通道的產(chǎn)生或關(guān)閉實(shí)現(xiàn)電阻變化，目前主要用于物理不可克隆芯片(Physical Unclonable Function，PUF)，也被看好用于人工智能硬件。

5.1新型存儲(chǔ)器未來的產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)

PCM將向更高層數(shù)的三維集成發(fā)展。目前，唯一 商用的PCM產(chǎn)品英特爾傲騰存儲(chǔ)器第一代僅僅實(shí)現(xiàn)了二層三維集成，2020年發(fā)步的第二代也僅僅做到了四層堆疊。 PCM在隨機(jī)讀寫速度和壽命方面相比于NAND Flash都有數(shù)量級(jí)上的優(yōu)勢(shì)，三維集成層數(shù)是制約其容量快速發(fā)展的主要瓶頸。 英特爾已經(jīng)在著手研發(fā)相關(guān)三維制造技術(shù)。?

MRAM將更加廣泛地運(yùn)用于嵌入式系統(tǒng)中。 目前獨(dú)立式的MRAM由于容量難以進(jìn)一步增長，成本較高，市場(chǎng)應(yīng)用空間有限。未來 MRAM將主要針對(duì)嵌入式市場(chǎng)，逐步替代現(xiàn)有的嵌入式閃存技術(shù)，將成為嵌入式系統(tǒng)中的主流存儲(chǔ)器。

RRAM將與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算深度結(jié)合發(fā)展全新的計(jì)算架構(gòu)。 RRAM在傳統(tǒng)存儲(chǔ)領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)并不明顯，新的存儲(chǔ)架構(gòu)將會(huì)是RRAM的發(fā)展機(jī)會(huì)。例如，將RRAM作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中突觸節(jié)點(diǎn)的權(quán)重存儲(chǔ)單元，或是應(yīng)用于存算一體架構(gòu)，從而大幅度提升神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片的性能并降低功耗。