QLC大势所趋、PLC呼之欲出:英特尔NAND闪存为何这么优秀?
2020年10月,英特尔宣布以90亿美元的价格,将旗下NAND闪存业务出售给SK海力士,震惊业界。
但事实上,与其说是出售,不如说换个方式独立运营,英特尔并未放弃对于NAND闪存的投入,仍然持续推进相关产品和技术 ,去年12月就全球首发了144层堆叠的QLC,以及多款相关产品,涉及消费级、数据中心。
根据规划,英特尔将在未来几年内,逐步将NAND闪存、SSD固态盘的设计、制造、运营转移到SK海力士旗下,其推动NAND技术创新和对全球客户的承诺不会改变。
当然,英特尔NAND闪存不会面面俱到,主要还是关注数据中心领域,兼顾消费级客户端。
为了让大家更深入地了解英特尔NAND闪存技术优势,坚定对其前景的信心,英特尔近日也特别分享了一些深度资料。
这张“金字塔”结构图大家应该都很熟悉了,代表着英特尔对于存储体系的理解,从塔尖到塔底,容量越来越大,延迟越来越高,相邻级别的容量、性能差都在10倍左右,适合不同冷热等级的存储需求。
其中,NAND SSD固态存储,位于传统机械硬盘、磁带冷存储之上,傲腾SSD之下,是一种高效率的存储方式。
顺带一提,英特尔傲腾业务并没有出售。
作为闪存技术的领导者,英特尔在闪存技术研发上已有30多年的历史,尤其是近几年在QLC上持续发力,是全球第一家出货数据中心、消费级QLC PCIe SSD的企业。
20世纪80年代中期,英特尔就开始进军NOR闪存,最初的制造工艺还是1.5微米,2005年开始转入应用更广泛的NAND闪存,制造工艺起步于65nm,2D时代如今已达1xnm级别,SLC、MLC、TLC、QLC一路走下来,堆叠层数也从32层一直到了144层。
QLC之后就是PLC,每个单元可以保存5个比特的数据,共有多达32种状态,如何保持数据稳定性、持久性面临更大的挑战。在这方面英特尔一直是非常积极的,极为看好其前景,但何时量产应用还没有明确的时间表。
英特尔3D NAND技术与产品是为高密度、高可靠性而设计的,其中高密度来自不断增加的3D堆叠层数和阵列下CMOS(CuA)结构设计,高可靠性来自于浮栅单元设计。
先说高密度。英特尔闪存一直走浮动栅极+阵列下CMOS结构的路线,相比于友商的替换栅极结构,或者说电荷撷取闪存结构(CTF),拥有更紧密、对称的堆栈层,没有额外单元开销。
从对比结构图可以看到,英特尔浮动栅极的Cell单元是均衡的,基本保持一致 ,更加紧凑,同时单元尺寸也更小,可以堆叠更多层数,而替换栅极会浪费一些空间,影响Cell单元的堆叠效率、密度。
阵列下CMOS,顾名思义就是将CMOS和周边控制电路放在Cell单元阵列的下方,同样有利于提高空间利用效率,当然堆叠层数增多之后,CMOS、Cell之间的联系控制难度也会有所提高。
两项设计结合,英特尔3D NAND的面存储密度可以高出最多10% ,继而提高制造效率,每块晶圆可以切割出更多容量,成本也能得到更好控制。
再说高可靠性。英特尔3D NAND闪存采用了成熟的垂直浮动栅极单元技术。不同的Cell单元之间是分离的,通过浮动栅极技术存储电子路径,好处就是单元与单元的干扰很小,对于漏电、数据保持也更有优势。
每个单元的电子数量,相比2015年的2D MLC NAND增加了6倍左右,从而大大提高控制力,而庞大的电子数量可以更好地防御漏电,减轻长时间后的数据丢失问题。
同时,英特尔利用离散电荷存储节点,具备良好的编程/擦除阈值电压窗口,可以有效保障存储单元之间稳定的电荷隔离,以及完整的数据保留。
另外,英特尔几十年来对于电子物理学有着深厚的研究和积累,已经非常熟练地掌握隧道氧化层工艺。
英特尔强调,半导体工艺中,最复杂的一环其实是刻蚀,因为对着闪存单元堆叠层数的增加、电子数量的增加,多层刻蚀就像挖一口深井,必须确保垂直下去,所有单元的一致性相当高,否则会造成不同单元性能差别明显,整体闪存的密度、可靠性也就不复存在。
打个比方,这种操作就像是在埃菲尔铁塔上扔下一颗实心球,落地后的偏差程度必须保持在厘米级,目前只有极少几家可以做到。
SLC、MLC、TLC、QLC等闪存类型大家都很熟悉了,分别对应一个单元1个、2个、3个、4个比特,会分别形成2种、4种、8种、16种状态,呈指数级增长。
这种变化会影响一个非常关键的指标,那就是读取窗口 ,而随着闪存单元比特、状态的增加,读取窗口越来越小,导致读取准确性难度加大,一不小心就会分不清到底是1还是0,结果就反应在可靠性上。
看右侧,在数据保留性能方面,对比FG浮动栅极、CTF电荷捕获两种结构,前者优势更加明显,从开始状态到使用5年之后,电荷损失程度都更小,甚至是5年之后的电荷保留程度,都堪比CTF的最初状态。
接下来的PLC闪存,每个单元要存储5个比特,对应多达32状态,读取窗口进一步收窄,因此电荷损失的控制力度就更加至关重要,这也是英特尔闪存架构的优势所在。
当然,时至今日很多人依然对QLC有很大的偏见,认为其寿命、可靠性过差,根本不堪大用。这个问题需要理性看待,就像当年大家都瞧不起TLC,现在则成了绝对主流。
由于天然属性的缘故,QLC的寿命、可靠性指标确实是不如TLC,但这并不意味着它一无是处。
事实上,QLC并非要彻底取代TLC,至少短期内不是,它更适合读取密集型应用,适合大区块数据、顺序数据操作,比如AI人工智能、HPC高性能计算、云存储、大数据等等。
而在写入密集型、读写混合型工作负载中,TLC自然是更佳选择,二者是一种相辅相成的关系。
另一方面,QLC闪存的存储密度、容量更大,可以大大节省存储空间 ,比如使用英特尔QLC闪存、30.72TB最大容量的D5-P5316 SSD,在1U服务器内就可以轻松做到1PB的总容量,而如果使用传统16TB硬盘,则需要三个2U机架空间。
在全力推进QLC的同时,英特尔也会持续坚持TLC,第三季度就会发布新的144层堆叠TLC SSD,企业级的D3-S4520、D3-S4620。
总的来说,英特尔虽然将NAND闪存业务卖给了SK海力士,但这只是交易层面的,不会影响技术、产品层面。
未来,新公司承诺将持续在NAND闪存业务上大力投入,保持领先地位,其闪存产品的用户、客户也不必有任何忧虑。这一点,从近半年来不断分享闪存技术、持续发布闪存产品,也可见一斑。
基于英特尔30多年来在闪存上的投入和积累,同时联合SK海力士高超的闪存技术实力,强强联合的前景也更值得期待。
至于闪存类型之争,其实也可以更淡然一些。SLC早已成为江湖传说,MLC只偏安在工业等特殊领域存在,TLC是当下绝对的主流,QLC的地位会越来越高,PLC也是呼之欲出。
结构属性决定了闪存类型演化的同时,可靠性、寿命会有相对削弱,但一方面容量越来越大、单位成本越来越低,这是必然的方向,另一方面辅以各种架构、技术优化,别说满足日常消费级需求,用在数据中心里也不是什么事儿(当然也要看具体的工作负载,非要让QLC大规模随机写入自然是强人所难)。
小Z聊固态:NAND闪存颗粒的打开方式
关注固态硬盘产品的各位朋友应该发现了,近来几乎各大品牌的固态硬盘产品都涨价了!虽然涨幅不算太大,但是在价格十分敏感的电子消费产业,还是十分耐人寻味的,特别是一些经典热销产品的涨价就更是让人看不懂了。
下图是笔者统计过的,从6月15日起到6月30日止,京东商城上热销的部分品牌的销量最高产品的价格变化图。通过图表可以看到,除了金士顿和浦科特旗下的两款固态硬盘在统计中没有大的变化外,其余各大品牌,诸如三星、东芝、闪迪、ocz等都有着不同幅度的涨价。
在前面几期的“小Z聊固态”中,我们知道固态硬盘最大的制造成本其实在于闪存颗粒,闪存颗粒的价格变化直接影响到固态硬盘产品的价格变化。看到这里,我想部分朋友已经可以猜到为什么此次固态硬盘产品集体涨价了。
没错,原因就和上次机械硬盘因为泰国洪水淹没大部分机械硬件加工商导致全行业涨价一样,此次三星位于西安的全球最大的NAND闪存制造厂的停电事故,影响了NAND的正常生产,再加上处于闪存颗粒生产的旺季,市场上的NAND闪存供不应求,因而出现了大范围的固态硬盘价格上扬。
那么又有人问了,“一个三星NAND闪存厂竟能影响到全行业?难道没有其他闪存厂能够替代它吗?”
今天,小Z就借着这个话题和大家一起聊聊闪存颗粒和闪存厂的那些事。
在固态硬盘领域,掌握了闪存颗粒几乎可以说就掌控了固态市场。目前,全球范围内从事NAND flash的厂商大大小小不计其数,但具有统治地位的就只有区区六家,他们分别是三星(Samsung)、东芝(Toshiba)、英特尔(intel)、海力士(SK hynix)、美光(Micron)、闪迪(SanDisk),这六家从事NAND FLASH制造的厂商几乎垄断了全球大部分的市场份额,接下来我们就一一介绍。
半导体霸主:英特尔(intel)
英特尔公司(IntelCorporation)总部位于美国加州,工程技术部和销售部以及6个芯片制造工厂位于美国俄勒冈州波特兰。
英特尔的创始人罗伯特·诺伊斯RobertNoyce和戈登·摩尔GordonMoore原本希望他们新公司的名称为两人名字的组合——MooreNoyce,但当他们去工商局登记时,却发现这个名字已经被一家连锁酒店抢先注册。不得已,他们采取了“IntegratedElectronics(集成电子)”两个单词的缩写为公司名称。现任CEO是BrianKrzanich。
英特尔公司在随着个人电脑普及,英特尔公司成为世界上最大设计和生产半导体的科技巨擘。除了为全球日益发展的计算机工业提供建筑模块,包括微处理器、芯片组、板卡、系统及软件等,公司在半导体顶层技术的研发中始终处于世界领先地位,拥有多项半导体生产专利技术,长期位列全球半导体厂商排行榜的首位。
intel早期闪存颗粒的编号信息
在固态硬盘领域,早期的英特尔自产自研的闪存颗粒,多用于自家高端产品,或是合作紧密的友商产品中,几乎很少输出。
到了中期,英特尔和美国著名的半导体厂商美光进行了深度合作,共建晶圆制造厂,并将晶圆厂中品质和纯度较高的闪存颗粒用于自家的产品,如intel 710系列就是采用的eMLC企业级颗粒,而将品质低的颗粒用于低端产品和输出到第三方,例如intel 320系列以及部分威刚、OCZ产品,在此就不一一论述了。
intel 540s采用海力士16nm闪存颗粒
到了后期,也就是现在intel几乎已经很少在中低端产品中使用自家颗粒了,会根据产品定位不同,灵活选择。例如,最新发布的针对消费级市场的INTEL 540S系列就是采用的海力士16nm闪存颗粒,而面向高性能和安全应用的SSD Pro 5400s则是采用美光和intel合资的16nm闪存。
晶圆之光:美光(Micron)
美光科技(MicronTechnology,以下简称美光科技)位于美国爱德荷州首府波伊西市,于1978年由WardParkinson、JoeParkinson、DennisWilson和DougPitman创立,1981年成立自有晶圆制造厂。
美光科技是全球最大的半导体储存及影像产品制造商之一,其主要产品包括DRAM、NAND闪存和CMOS影像传感器。美光科技先进的产品广泛应用于移动、计算机、服务、汽车、网络、安防、工业、消费类以及医疗等领域,为客户在这些多样化的终端应用提供针对性的解决方案。
在1990年代初期,美光科技成立MicronComputers(美光电脑)子公司来制造个人电脑,该公司即后来的MicronElectronics(美光电子)。
1998年亦并购了Rendition公司来制造3D加速芯片。
2002年美光卷入了内存价格操纵丑闻。
2007年3月21日首次在中国西安成立了工厂,主要生产DRAM和NAND快闪存储器。
美光flash颗粒的命名规则
在固态硬盘领域,美光和intel进行了深度合作,并于2006年在美国犹他州Lehi地区合资共建,25nm工艺闪存制造厂IMFT,而根据相关文件披露,IMFT生产的晶元,49%销售给Intel,另外51%则归美光。
除了生产闪存颗粒,美光还拥有固态硬盘生产线以及市场终端品牌英睿达。不同于intel闪存颗粒,多用于自家产品,美光的闪存颗粒因其性能稳定,深受OEM厂商热捧,并大量输出到各大OEM厂商以及各大品牌固态硬盘厂商。
自产自销:三星(Samsung)
如果说英特尔是半导体行业的绝对领路人和开创者的话,那么三星毫无疑问是最强的追逐者和竞争者。
三星电子(SamsungElectronics)作为韩国电子产品生产企业,是韩国规模最大的企业,同时也是三星集团子公司中规模最大且在国际市场处于领先地位的企业。
该公司在全世界共65个国家拥有生产和销售法人网络,员工数多达157,000人,早在2009年超越惠普(HP)跃升为世界最大的IT企业,其中LCDTV、LEDTV和半导体等产品的销售额均在世界上高居榜首。
在庞大的三星集团内部,半导体事业部可谓是打造三星帝国的一等功臣。
三星集团创始人李秉哲不顾公司众人反对,毅然决然地于1983年在日本东京正式开始进军半导体行业。对此他曾经表示,三星符合韩国缺乏资源的自然条件,只有开发高附加值、技术含量高的产品才能实现企业的第二次飞跃。
在此后的10个月内,三星电子在世界上第三个推出64KDRAM,这在国内外经济界引起强烈反响。然而,日后由于半导体价格暴跌,企业在事业之初陷入困境。尽管如此,三星的存储器半导体依然取得了长足的发展,1992年率先开发成功64MDRAM,终于在世界上确保了最强的技术实力;1993年如愿以偿地荣登存储器半导体世界第一的宝座。此后于1994年和1996年连续开发成功256M和1GDRAM,这同样拥有‘世界最先开发’的荣耀,这样,半导体逐渐成为韩国具有代表性的产业。2002年NANDFlash位居世界榜首;2006年与2007年分别在世界上率先研制成功50纳米级DRAM和30纳米级NAND等,三星电子在存储器领域的占有率超过30%,成为业界的强者。
三星750evo采用自家闪存颗粒
拥有大量的世界顶尖的半导体专利技术的三星,近些年也没有停止研发的脚步。就固态硬盘行业而言,三星是业界首个将TLC闪存颗粒运用于固态硬盘产品的厂商,同时研发出全球领先的3D-NAND闪存颗粒技术,极大的提升了闪存颗粒的实际使用容量,进一步压缩了闪存颗粒的体积,引发了闪存颗粒的又一次革命。
三星flash颗粒编号信息表
作为半导体厂商,三星也和intel一样,有着完整的闪存颗粒生产线,却都仅将颗粒运用于自家产品,三星家更是做得彻底,所有原产颗粒都不允许输出,仅装备于自家固态品牌。因而,很多关于三星闪存的具体参数信息很少见诸于网络。
闪存缔造者:东芝(Toshiba)
作为我们的邻居,韩国在闪存制造上有三星,而日本则有东芝。
东芝(TOSHIBA)是日本最大的半导体制造商,亦是第二大综合电机制造商,隶属于三井集团旗下。东芝原名东京芝浦电气株式会社,1939年由株式会社芝浦制作所和东京电气株式会社合并而成;从1875年开创至今,已经走过了133年的漫长历程。
早在80年代东芝与NEC是世界上最大的两家半导体制造商,同时东芝还是闪存存储标准SD协会的董事会成员之一,是多项规格标准的制定者和推动者,拥有着半导体闪存行业多项世界第一和生产专利,到了90年代,东芝已经成长为世界排名前5的芯片厂,在2008年东芝排名第3,仅次于英特尔和三星,但排在德州仪器和意法之前,到了今天东芝依旧在世界半导体行业、芯片制造行业有着举足轻重的作用。
具体到固态硬盘领域,东芝原厂闪存颗粒几乎占领了主流的固态硬盘市场,成为有一定实力的固态硬盘厂商首选颗粒。究其缘由,一则是东芝近百年的生产制造经验带来的严格的品控,二则是东芝乐于向外输出优质原厂闪存颗粒。
目前,几乎所有大品牌的固态硬盘厂商都使用过东芝相关型号的闪存颗粒。例如浦科特全系列M6V/M7V/M6S PLUS等产品,还有金士顿的v300/uv400,OCZ几乎全系列等。
东芝flash颗粒编号示意图
东芝flash颗粒编号示意图
东芝flash颗粒编号示意图
除了制造原厂闪存颗粒外,还有更多的二线厂商使用东芝原厂的白片颗粒,以及部分厂商使用的东芝黑片,可以说几乎所有主流固态硬盘厂商都使用过东芝制造的闪存颗粒。
同时和三星、intel一样,东芝自家也有固态硬盘终端产品,从开山之作东芝Q系列,东芝Q200,东芝Q300一直到东芝Q300 PRO,每一款源自东芝的新品都带给消费者许多惊喜。
性价比之王:海力士(SK Hynix)
闪存颗粒作为固态硬盘制造中最花费成本的核心器件,提供极高性价比的产品也是能有极大的市场。
海力士脱胎于韩国另一家半导体制造企业现代内存,并于2001年更名为海力士,2012年正式更名为SK hynix。
海力士半导体在1983年以现代电子产业有限公司成立,在1996年正式在韩国上市,1999年收购LG半导体,2001年将公司名称改为(株)海力士半导体,从现代集团分离出来。2004年10月将系统IC业务出售给花旗集团,成为专业的存储器制造商。2012年2月,韩国第三大财阀SK集团宣布收购海力士21.05%的股份从而入主这家内存大厂。
海力士半导体多年前已经在韩国制造了4条8英寸晶圆生产线和一条12英寸晶圆生产线,并在美国俄勒冈州有一条8英寸生产线。2004年及2005年全球DRAM市场占有率处于第二位,中国市场占有率处于第一位。并在世界各地有销售法人和办事处,共有员工15000人。
海力士部分flash颗粒产品编号示意图
如今的海力士半导体,一直以行业最高水平的投资效率、生产效率、销售效率,在竞争激烈的半导体行业站稳脚跟,并以快速的更新能力和极高的性价比,成为众多固态硬盘厂商欢迎的原厂颗粒提供商。
目前,intel旗下多款产品采用了海力士颗粒,例如从intel pro 2500到最新的intel 540s。同时国内许多新兴厂商都在使用有着高性价比的SK Hynix闪存颗粒,例如金泰克等。
闪存帝国:闪迪(SanDisk)
在闪存卡领域,闪迪绝对是行业的巨擘,而在固态硬盘领域,闪迪也凭借着其拥有着完整的闪存颗粒加工体系,成为固态硬盘行业的巨头之一。
SanDisk (闪迪)公司是全球最大的闪速数据存储卡产品供应商。诞生于1988年加利福尼亚帕罗奥多,该公司由非易失性存储技术领域的国际权威Harari Eli博士在1988年创立。
闪迪作为全球唯一一家有权制造和销售所有主要闪存卡格式的公司,拥有超过4900多项关于存储、闪存颗粒等相关技术的专利,并在全球各地拥有着多条闪存颗粒加工制造厂。
闪迪至尊极速系列采用闪迪颗粒
早在2005年,就和日本存储大厂东芝合作,在位于日本四日市运营处的建立起NAND flash闪存 300mm工艺的晶片制造厂,并与2011年正式投入生产。
鉴于闪迪在闪存卡拥有着全球唯一的全系列生产线,因而闪迪原厂的闪存颗粒多用于自身产品消化,并没有大规模投入市场。同时鉴于在NAND flash生产上,闪迪几乎和东芝成为一家人,许多相关产品编号信息暂时无法查询。
总结:
intel和美光、东芝和闪迪、自产自销的三星、性价比的海力士,目前市场上存在的闪存颗粒六大巨头都根据自己的实际特点,你追我赶的占领市场高地,近乎垄断了固态硬盘闪存颗粒的所有市场份额。
然而就六大品牌内部比较,由于各大品牌的侧重点不同,主攻方向的差异。在没有限定的前提下,无法区分到底谁家颗粒好,谁家颗粒烂,但是唯一具有参考意义的便是,下次选购固态硬盘的时候,有这六大厂商的品牌logo,至少要比没有品牌logo来路不明的颗粒强得多得多。
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