3D NAND层数增加，是时候该换材料了？

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在2021年VLSI技术研讨会上，Imec介绍了钌(Ru)和钼(Mo)作为3D NAND闪存的替代Word Line (WL)材料，并“首次演示钌和钼WL集成到40nm间距的3D NAND器件”。我有机会采访其中一位作者：Maarten Rosmeulen。NAND闪存的当前技术水平是层数不断增加的3D NAND，例如，在同一次会议上，三星展示了他们即将推出的176层3D NAND工艺，这是其128层工艺的后续。一个值得注意的方面是，他们降低了176层工艺的内存单元的高度，以控制整个内存堆栈的高度。美光和SK海力士也宣布了176层工艺，而铠侠则在其128、128和112层工艺之后，宣布了162层工艺。随着层数的增加，由于图形和应力原因，需要缩小层厚以控制堆叠的高度，就像三星在其176层工艺中所做的那样。业界最流行的3D NAND类型是使用替代金属栅极(RMG)工艺的电荷陷阱闪存。在RMG工艺中，氧化层和氮化物的交替层被沉积，氮化物是一种牺牲膜，后来被去除并替换为金属栅极和用作WL的金属片，见图1。图1.更换金属浇口工艺。目前选择的WL材料是钨（W）。

R=ρL/A，其中ρ是电阻率，L是长度，A是横截面积。随着氮化物层厚度的减小，所得到的替代金属片变得越来越薄，从而减小了横截面积，并且在小尺寸下，由于电子散射进一步加剧了电阻的增加，ρ增加。WL电阻率的增加导致产品的编程/擦除时间变慢。电阻率在小尺寸下增加的程度部分取决于材料中的电子平均自由程（free path）。小尺寸处电阻率的增加可导致块体电阻率相对较高的材料在小尺寸处具有较低电阻率。小尺寸材料的品质因数是体电阻率乘以电子平均自由程。图2显示了一些关于材料电阻率的数据。图2.替代WL材料电阻率从图2可以看出，钼和钌在小尺寸下的电阻率可能低于钨。当然，图2中的值只是体积值，不一定转化为实际的器件结构，这项工作的目的是通过实验测量表现。在这项工作中，创建了一个五层NAND来评估这些替代材料的电阻率和晶体管性能。因为Imec是一个研究机构，所以他们创建176层设备是不可行的，但5层器件也保留了基本的物理特性。图3显示了厚度为35nm、25nm和20nm的WL的Mo和钌电阻率。在所有研究的情况下，钌显示出比钼低的电阻率。图3.字线电阻率。图4展示了钼晶体管的性能，它优于钌（未显示）。图4.Mo晶体管性能。图5比较了钼和钌的编程擦除，钼显示出比钌更快的编程/擦除。图5.程序擦除。最后，图6比较了钼和钌的数据保留率，钌比钼好，但钼性能非常接近。图6.保留。在性能上，钌的电阻率更好，钼的晶体管性能则更好一些。这项工作试图回答的关键问题是这些材料中的一种是否可以更好地替代钨用于细WL。在这项工作中，尚未在相同条件下测量钨的电阻率和晶体管性能，但公司表示未来将进行有关方面的工作。我问他们是否知道何时必须在商业产品中更换钨，他说他们没有，最终个别产品的具体情况不仅取决于层厚度，而且最终取决于整个器件实现的延迟，这也可能取决于应用程序。我们还简要讨论了成本，IC Knowledge LLC是半导体和MEMS成本建模的世界领导者，我提到我认为钌对于3D NAND的使用过于昂贵，他说他有大学正在研究这个。我使用该公司的战略成本和价格模型进行了一些快速计算，我看到钨和钼每片晶圆的前期成本约为10到20美元，而在我看来，钌的价格高出一个数量级，这使得钌的使用成本太高.总之，这项工作是确定钌和钼作为钨的长期替代品的适用性的重要一步，以实现3D NAND层数的增加和性能的提高。

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你所不知道的固态硬盘Trim知识

Trim功能是几乎所有SSD固态硬盘都具有的功能。大家对Trim可能已经是相当熟悉了。但是，我们真的了解Trim吗？

我们常常遇到SSD固态硬盘越用越慢这样的情况。了解Trim的工作方式和作用，以及条件和限制因素。这样可以使得我们更好的保护SSD固态硬盘的速度性能以及健康安全，让它的性能得到更好发挥。这就是我们这篇文章的目的。

Trim，英文意思是修剪，其实是一个ATA指令。ATA技术是一个关于IDE（Integrated Device Electronics）的技术规范族。最初，IDE只是一项企图把控制器与盘体集成在一起的硬盘接口技术。 随着IDE/EIDE得到的日益广泛的应用，全球标准化协议将该接口自诞生以来使用的技术规范归纳成为全球硬盘标准，这样就产生了ATA。ATA并无正式中文名称，操作系统发送此指令给SSD主控，以通知它哪些数据占用的地址是‘无效’的。

在讲解Trim的重要性前，先说一点文件系统的相关知识。当我们在操作系统中删除一个文件时，系统并没有真正删掉这个文件的数据，它只是把这些数据占用的地址标记为‘空’，即可以覆盖使用。但这只是在文件系统层面的操作，硬盘本身并不知道那些地址的数据已经‘无效’，除非系统通知它要在这些地址写入新的数据。在HDD上本无任何问题，因为HDD允许覆盖写入。但到SSD上问题就来了，闪存不允许覆盖，只能先擦除再写入，要得到‘空闲’的闪存空间来进行写入，SSD就必须进行GC(垃圾回收)操作。在没有Trim的情况下，SSD无法事先知道那些被‘删除’的数据页已经是‘无效’的，必须到系统要求在相同的地方写入数据时才知道那些数据可以被擦除，这样就无法在最适当的时机做出最好的优化，既影响GC的效率(间接影响性能），又影响SSD的寿命。

Trim只是一个指令，它让操作系统通知SSD主控某个页的数据已经‘无效’后，任务就已完成，并没有更多的操作。Trim指令发送后，实际工作的是GC机制。Trim可减少WA(写入放大)的原因在于主控无需复制已被操作系统定义为‘无效’的数据（Trim不存在的话，主控就不知道这些数据是无效的）到‘空闲’块内，这代表要复制的‘有效’数据减少了，GC的效率自然也就提高了，SSD性能下降的问题也就减弱了。其实Trim的意义在于它能大量减少“有效”页数据的数量，大大提升GC的效率。特别是消费级的SSD由于一般OP空间较少，因此相对于有大量OP空间的企业级SSD来说，Trim显得尤其重要。

简单的举个例子，Trim相当产线的拉长，GC相当于产线的员工。Trim拉长每天从系统这个车间主任这里得知了哪些要做，哪些不做，然后Trim拉长就安排员工去做。假如没有拉长，上面又不能直接安排生产，那我们就先耍着咯，心情好就磨磨洋工，这样就毫无生产效率可言了，长此以往，厂子就倒闭了。虽然Trim拉长的工作就是简单的听几句话，再对GC员工说那么几句屁话。但是还是很重要的。这样是不是容易理解多!

Trim工作原理简图：

Trim的支持需要3个要素：

1.SSD主控制器和当前搭配的固件需要支持Trim命令接收。

2.当前操作系统需要支持Trim指令发送。（Win7/2008R2及后续版本）

3.当前使用的磁盘驱动程序必须支持Trim命令传输。

只有同时满足以上3个条件，才能做到系统Trim命令发送，驱动传输Trim命令，SSD固件接收到传输来的Trim命令。

Trim目前不支持以下几种情况:（可能还有更多）

1. Trim目前不支持RAID阵列中的SSD。（操作系统下进行软件RAID除外）

2. Trim目前不支持磁盘镜像文件内操作。（VM等虚拟机软件使用的虚拟磁盘文件）

3. Trim目前不支持加密的文件系统。（以防止暴露加密文件系统信息）

影响Trim和GC效率的因素：（可能还有更多）

1.WL磨损平衡。磨损平衡是对NAND闪存的保护。保证不擦写集中。如果擦写集中，对SSD固态硬盘的速度和寿命影响也很大。尤其是TLC NAND需要WL的保护。但WL会延缓Trim指令GC操作。它需要判断，标注优先级。以不让一个区域存在大量集中的擦写。所以，有时候我们磁盘整理，完了，感觉SSD固态硬盘的速度感觉没多大提升。但稍后，速度就会好起来了。

2.WA写入放大。不仅造成写入缓慢，还让Trim和GC的任务增多了，然后写入更缓慢。Trim和GC效率不行，那么写入放大也增加了。它们互相影响。而减少写入放大是保证Trim和GC效率，提高SSD速度性能，健康安全的主要方法。如何减少写入放大，提高SSD性能呢？以后再讨论。

我们无法自己去对SSD做频繁的或者重大的优化。所以我们得保证Trim正常运行。

SSD固态硬盘的功能像NCQ、DVSLP、Trim、WL等等几乎所有SSD都有这些功能。在维护这些功能正常发挥作用之前。更重要的还是选择一个好的SSD固态硬盘。

光威猛将，MLC NAND，SMI主控，便宜。MLC NAND是绝对比同等或者更高价位的TLC NAND有优势的。首先寿命长，不爽就随便磁盘整理，或者格式化，P/E多，任性，不需怕。其次MLC NAND的擦、写是有速度优势的。最后，写入放大相对更小。

各类NAND的储存形式

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