張平 袁怡男

英特爾將旗下NAND閃存業(yè)務(wù)出售給SK海力士無疑是2020年底業(yè)內(nèi)影響最大的消息之一。一直以來，英特爾在存儲產(chǎn)業(yè)上都占據(jù)著相當(dāng)重要的地位，無論是NAND產(chǎn)品還是傲騰產(chǎn)品，英特爾的競爭優(yōu)勢都是非常出色的?？紤]到英特爾近年來的發(fā)展?fàn)顩r、人事變動(dòng)以及在產(chǎn)品和生產(chǎn)線方面的調(diào)整，出售NAND從而專精于計(jì)算產(chǎn)業(yè)，應(yīng)該是英特爾考慮長遠(yuǎn)后做出的慎重決策。作為一個(gè)獨(dú)立的部門，無論是在英特爾還是未來交由SK海力士運(yùn)營，英特爾的NAND部門依舊擁有業(yè)內(nèi)一流的影響力和技術(shù)研發(fā)能力。為了進(jìn)一步說明有關(guān)英特爾出售NAND部門后的一些變化以及NAND部門自己在技術(shù)和產(chǎn)品上的新進(jìn)展，2021年4月，英特爾在上海召開了NAND產(chǎn)品技術(shù)溝通會(huì)議，就這些內(nèi)容做出了詳細(xì)的解釋，并給出了一些新的技術(shù)路線圖和最新的產(chǎn)品信息。

英特爾NAND部門未來的一些變化

首先英特爾在會(huì)議.上表示，NAND部門從英特爾并入到SK海力士目前分為兩個(gè)階段。第一個(gè)階段的時(shí)間節(jié)點(diǎn)是2021年底，包括NAND SSD相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)和銷售、市場等團(tuán)隊(duì)和員工;第二個(gè)階段，預(yù)計(jì)在2025年3月份最終交割時(shí)， SK海力士將支付20億美元余款，并從英特爾收購其余相關(guān)資產(chǎn)，包括NAND閃存晶圓的生產(chǎn)及設(shè)計(jì)相關(guān)的知識產(chǎn)權(quán)、研發(fā)人員以及大連工廠的員工。

據(jù)悉，在并入SK海力士后，英特爾NAND業(yè)務(wù)部分會(huì)依舊維持目前全球運(yùn)營的模式，并將繼續(xù)之前對客戶的承諾，同時(shí)不斷推動(dòng)行業(yè)領(lǐng)先的存儲與解決方案創(chuàng)新和落地。

30年的經(jīng)驗(yàn)：面向企業(yè)級的NAND產(chǎn)品

從歷史來看，英特爾在閃存發(fā)展上是非常有沉淀的。從商業(yè)角度來看的話，英特爾和三星、SK海力士等廠商不同的是，英特爾的發(fā)展重點(diǎn)并不是消費(fèi)級市場，而是企業(yè)級市場，英特爾的存儲產(chǎn)業(yè)專注數(shù)據(jù)中心客戶端與部分消費(fèi)級市場，完全不介入移動(dòng)端市場。這也是英特爾后期專注于浮柵技術(shù)的原因之一，因?yàn)橛⑻貭栒J(rèn)為，相比其他的技術(shù)路線，浮柵技術(shù)能夠更好地在企業(yè)級市場中發(fā)揮作用。

在這種市場目標(biāo)之下，英特爾劃分了內(nèi)存和存儲層級結(jié)構(gòu)，也就是我們?nèi)粘？吹降拇鎯鹱炙軜?gòu)。在塔頂端的是CPU緩存，接下來是內(nèi)存。其中內(nèi)存的容量一般為10GB級，其延遲小于0.1微秒。在一般的PC系統(tǒng)中，內(nèi)存后會(huì)跟著使用NAND閃存，其容量一般為10TB級，延遲小于100微秒。但是英特爾在這里加入了2個(gè)層級，分別是傲騰持久內(nèi)存和傲騰存儲。其中前者的容量為大約100GB級，延遲為小于1微秒，后者的容量為TB級，延遲小于10微秒。新加入的兩個(gè)層級很好地彌補(bǔ)了內(nèi)存到NAND閃存之間存在的巨大延遲鴻溝（從0.1微秒級別直接提升至100微秒級別），形成了比較均衡和平滑的存儲等級陣列。從內(nèi)存到傲騰內(nèi)存、傲騰存儲、NAND SSD，延遲等級分別為小于0.1微秒、小于1微秒、小于10微秒、小于100微秒，每一個(gè)等級都以一個(gè)數(shù)量級的方式向下延伸，很好地降低了系統(tǒng)延遲。

通過英特爾給出的這個(gè)存儲層級金字塔，我們可以看出，存儲系統(tǒng)在不同的層級除了各自的性能參數(shù)外，還有各自的市場目標(biāo)。比如內(nèi)存就是需要高速度和高穩(wěn)定性，目前對其非易失性等沒有要求。傲騰內(nèi)存就是通過非易失性特性和高速度來彌補(bǔ)內(nèi)存在某些場合下的不足。接下來，傲騰存儲提供的是更高速度的存儲性能，其容量相對較大，適合于經(jīng)常使用的熱數(shù)據(jù)存儲。在更次一級的3D NAND SSD等級，因?yàn)榍捌诘男阅芤蠖家呀?jīng)被基本釋放完成。所以在這個(gè)等級人們需要更高效率、更大容量和更為耐久的存儲設(shè)備。

因此，如何生產(chǎn)更為高效、大容量和耐久的存儲設(shè)備就是英特爾的研發(fā)重點(diǎn)。在這里，英特爾認(rèn)為，浮柵（float gate）技術(shù)生產(chǎn)的NAND產(chǎn)品，可以兼顧這幾個(gè)特點(diǎn)。首先是英特爾對閃存技術(shù)有持續(xù)30年的投資，形成了非常穩(wěn)定和牢固的技術(shù)體系。其次是采用浮柵搭配CMOS技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)目前最高的NAND面密度，也可以搭配QLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)每單元容量的提升。第三則是可靠性方面，英特爾認(rèn)為自己的垂直浮柵單元是專門為高可靠性設(shè)計(jì)的，并且從64層TLC到144層QLC，英特爾采用的可靠的單元設(shè)計(jì)也可以使得耐久性實(shí)現(xiàn)跨代提升。

在產(chǎn)品方面，英特爾給出了2021年重點(diǎn)推廣的一些產(chǎn)品，包括面向企業(yè)級服務(wù)器的英特爾D7-P5500和D7-P5600 （2020年已發(fā)售），新的采用144層QLC技術(shù)面向云存儲的DP-P5510以及同樣采用144層QLC面向溫存儲的D5-P5316，用于傳統(tǒng)服務(wù)器應(yīng)用的144層TLC產(chǎn)品D3-S4520、D3-S4620。在消費(fèi)級產(chǎn)品方面，英特爾推出了英特爾660p和采用144層QLC技術(shù)的英特爾670p。我們在后文還對這些產(chǎn)品和技術(shù)有更深入的解釋。

浮柵技術(shù)：英特爾在NAND上的堅(jiān)持和專注

英特爾在非易失性存儲設(shè)備上是有很久的研發(fā)歷史的。根據(jù)英特爾的介紹，從1985年開始英特爾就開始介入非易失性閃存的開發(fā)，從1985年到2004年，英特爾推出了數(shù)代NOR閃存。2005年開始介入NAND閃存，從平面時(shí)代開始，生產(chǎn)工藝從65nm一直進(jìn)步至16nm，然后轉(zhuǎn)型推出3D NAND，層數(shù)從32層起步，包括32層TLC、64層TLC一直到2018年的64層QLC、96層TLC以及現(xiàn)在最新的144層QLC或TLC產(chǎn)品。

在過往的所有開發(fā)歷程中，英特爾一直專注于浮柵技術(shù)，即使是在同行轉(zhuǎn)移至電荷陷阱技術(shù)之后，英特爾依舊在浮柵技術(shù)上持續(xù)發(fā)力。那么，什么是浮柵技術(shù)呢？

所謂浮柵技術(shù)，是指Float GateMOSFET，簡稱FGMOS，也被稱為浮動(dòng)?xùn)艠O管或者浮柵晶體管，它是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的一種類型。FGMOS的最大的特點(diǎn)在于，柵極首先采用絕緣物質(zhì)和底層隔離，就像漂浮在硅底層之上一樣，因此被稱為浮柵。其他的一些次級柵極或者控制柵極被沉積在浮柵之上，也通過絕緣材料與之隔離。由于浮柵在上方、下方都被絕緣材料所阻隔，因此存在其中的電荷能夠在很長一段時(shí)間內(nèi)保持不變。當(dāng)人們在浮柵上級的控制柵極施加電壓后，由于量子隧道效應(yīng)，電子可以通過絕緣層進(jìn)入浮柵中并被存儲起來，在施加反向電壓后，電荷又可以流出，控制極為方便。

浮柵技術(shù)出現(xiàn)后，由于其存儲電荷和操控電荷的特性，很快就被應(yīng)用在數(shù)據(jù)存儲中。不過浮柵技術(shù)也并非沒有缺點(diǎn)。隨著制造工藝不斷縮小，在10nm左右，浮柵技術(shù)所使用的MOSFET中起到絕緣作用的隧道氧化層已經(jīng)變得很薄了，考慮到類似的物質(zhì)耐久性是有限的，大約每厘米1000萬伏特，因此在10nm左右的微縮工藝下，浮柵大約只能忍受約10V左右的電壓就會(huì)被擊穿，在這種情況下，電壓和電場的存在，以及電子持續(xù)量子隧道效應(yīng)進(jìn)出，會(huì)破壞絕緣物質(zhì)氧化物中的原子鍵，并降低絕緣物質(zhì)的絕緣能力。這個(gè)過程被稱為“磨損”。降低了絕緣性的隧道氧化層，會(huì)導(dǎo)致電子從浮柵中泄露出來，從而降低浮柵類型的MOSFET存儲數(shù)據(jù)和表示電壓的能力。

由于浮柵技術(shù)存在一些缺陷（并非不能改進(jìn)），因此三星、SK海力士等廠商選擇了另外一條技術(shù)路線來實(shí)現(xiàn)自己的多層堆疊NAND的生產(chǎn)，這種技術(shù)被稱為電荷陷阱（Chargetrap flash，簡稱CTF）。從基本架構(gòu)來看，電荷陷阱技術(shù)是浮柵技術(shù)基于材料的改進(jìn)，其最大的特點(diǎn)在于將傳統(tǒng)浮柵MOSFET技術(shù)中制造浮柵使用的摻雜多晶硅改成了氮化硅膜。相比摻雜多晶硅這種接近于導(dǎo)體的材料，氮化硅膜更接近于絕緣體，因此電子流入空穴后會(huì)持續(xù)停滯在里面。三星在介紹電荷陷阱技術(shù)的時(shí)候，將傳統(tǒng)浮柵比喻為“水”，將絕緣層比喻為裝水的“盒子”，當(dāng)“盒子”被磨損的時(shí)候，“水”就會(huì)流出。相比之下，三星將電荷陷阱技術(shù)的氮化硅膜比喻為“奶酪”，當(dāng)電子進(jìn)入“奶酪”后，就被基本固定在其中，即使“奶酪”邊緣的絕緣層破損，那也只有邊緣部分的電子流失，大部分電子還是老老實(shí)實(shí)待在“奶酪”中，持續(xù)釋放自己的電場。電荷陷阱技術(shù)在一定程度上解決了浮柵技術(shù)的隧道氧化層磨損問題，同時(shí)還帶來了一些別的優(yōu)點(diǎn)，比如制造工藝更簡單，存儲單元的間距可以更小一些，隧道氧化層磨損速度更低、產(chǎn)能更高等。不過電荷陷阱技術(shù)也并非十全十美，由于其結(jié)構(gòu)和材料問題，電荷陷阱技術(shù)制造的NAND顆粒，相比傳統(tǒng)的浮柵NAND顆粒，在抗讀取干擾、長期斷電數(shù)據(jù)保存以及最受人關(guān)注的高溫下存儲耐久性方面存在顯著劣勢。

在了解了有關(guān)浮柵、電荷陷阱技術(shù)的差異之后，可以看出，考慮到客戶主要面向企業(yè)級用戶，英特爾持續(xù)采用浮柵技術(shù)是有道理的。從英特爾給出的存儲金字塔來看，NAND在存儲中處于比較靠后的位置，大量的熱數(shù)據(jù)不會(huì)存儲在NAND中，而是由傲騰接管，這樣一來，NAND中存儲的數(shù)據(jù)應(yīng)該是大量溫?cái)?shù)據(jù)甚至冷數(shù)據(jù)，這部分?jǐn)?shù)據(jù)在很長的時(shí)間內(nèi)可能都不會(huì)讀寫，因此對存儲穩(wěn)定性是有比較高的要求。另外，在抗讀取干擾和高溫下存儲耐久性方面，浮柵技術(shù)都相對電荷陷阱技術(shù)有一定的優(yōu)勢，更適合企業(yè)級用戶使用。

那么，浮柵技術(shù)的磨損又如何改進(jìn)呢？在前文中提到浮柵技術(shù)的磨損主要來自越來越先進(jìn)的制造工藝帶來的越來越薄的隧道氧化層，其解決問題也很簡單，使用線寬較寬的工藝，同時(shí)在制造中對隧道氧化層給予一定程度的改善即可。英特爾在發(fā)布會(huì)中提到，他們使用的工藝“要比10nm寬很多”，并且對閃存產(chǎn)品來說，工藝寬度在目前并不是最重要的，因?yàn)檫€有更多的方法可以提高存儲密度。

持續(xù)改進(jìn)的浮柵技術(shù)：最高面密度和高可靠性

在發(fā)布會(huì)上，英特爾提到了自己的產(chǎn)品具有最高的面密度，并且能夠?qū)崿F(xiàn)最好的經(jīng)濟(jì)效益。英特爾介紹了一些比較重要的提升存儲密度的技術(shù)，比如改善結(jié)構(gòu)，使用更小的浮柵單元、使用CuA技術(shù)也就是陣列下CMOS，這個(gè)技術(shù)將NAND的控制電路部分放置在存儲陣列的正下方，從而騰出更多的空間來給存儲單元，實(shí)現(xiàn)更高的存儲密度。其他的一些關(guān)鍵技術(shù)還包括采用更多的堆疊層數(shù)，比如144層堆疊，在數(shù)據(jù)存儲方式上采用QLC，也就是每個(gè)浮柵存儲4bit數(shù)據(jù)，相比之前的3bit又帶來了比較大的存儲密度增長。

具體到詳細(xì)對比方面，英特爾使用了美光的置換柵極技術(shù)予以對比。美光的置換柵極技術(shù)實(shí)際上也是針對浮柵技術(shù)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整，根據(jù)美光的描述，傳統(tǒng)的浮柵技術(shù)中，通過絕緣體將每個(gè)單元分開，這帶來了單元之間的電容效應(yīng)。因此，美光采用的置換柵極技術(shù)將多個(gè)單元構(gòu)建為一個(gè)絕緣體結(jié)構(gòu)，消除了單元間的電容，還可以提高耐久性、功率和性能。不過美光暫時(shí)沒有給出可量化的參考數(shù)據(jù)。英特爾在這里提出，自己的浮柵技術(shù)由于結(jié)構(gòu)比較簡單，因此數(shù)據(jù)存儲密度更高一些，此外CuA技術(shù)的應(yīng)用也減少了單元所占的面積。英特爾給出的數(shù)據(jù)是，他們的技術(shù)能夠帶來最多10%的面密度提升，以及每片晶圓更高的每GB存儲量。

另外，英特爾還給出了垂直浮柵單元的一些技術(shù)細(xì)節(jié)，并繼續(xù)對比了替換柵極技術(shù)的優(yōu)劣。英特爾提到，他們的浮動(dòng)?xùn)艠O技術(shù)擁有良好的編程/擦除閾值電壓窗口，各個(gè)存儲單元之間也有良好的電荷隔離/保留，更適合高密度裸片/驅(qū)動(dòng)器。相比之下，替換柵極技術(shù)需要不斷地對抗漏電和單元之間的干擾，因此更適合低密度的裸片或者驅(qū)動(dòng)器，性能密度也比較低。另外，英特爾的垂直浮柵閃存單元采用了離散單元隔離的方式，能夠?qū)⒖鐔卧母蓴_風(fēng)險(xiǎn)降低至最低——有意思的是，美光在這里認(rèn)為離散的單元帶來了電容效應(yīng)，目前尚不清楚這里英特爾是否有額外處理。英特爾還特別提到，自己產(chǎn)品的垂直單元中的電子數(shù)量提高了6倍，控制能力也得以大大提升。

在壽命方面，英特爾給出了一個(gè)數(shù)據(jù)示意圖，浮柵對比電荷陷阱技術(shù)在0天、2天、5年后的總讀取窗口，所謂讀取窗口，是指在數(shù)據(jù)存儲時(shí)，不同狀態(tài)下的信號之間的差異度。比如MLC一次存儲2bit數(shù)據(jù)，那么就擁有4種狀態(tài)，這4種狀態(tài)之間的差異就是讀取窗口，較低的讀取窗口會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)難以讀出?？梢钥闯觯姾上葳寮夹g(shù)在5年后的數(shù)據(jù)讀取是遠(yuǎn)低于浮柵技術(shù)的，這對很多冷存儲數(shù)據(jù)的企業(yè)來說是至關(guān)重要的，因此數(shù)據(jù)中心和企業(yè)級存儲選擇浮柵技術(shù)的英特爾產(chǎn)品可能會(huì)更有優(yōu)勢。

在發(fā)布會(huì)上，英特爾還對有關(guān)NAND閃存的制造過程做了一些解釋。比如英特爾提到，目前閃存最重要的問題并不是光刻工藝，而是刻蝕工藝。正如前文提到的那樣，更先進(jìn)、線寬更窄的光刻技術(shù)對NAND實(shí)際上并未起到更好的作用，尤其是在壽命、電子容量方面，在TLC、QLC這種多電壓狀態(tài)下，電子容量更是非常重要，因此英特爾雖然沒有明確提及工藝線寬，但是可能會(huì)采用32nm/28nm級別的工藝制造，甚至更寬。在刻蝕方面，英特爾明確體積刻蝕過程主導(dǎo)了目前的3D NAND制造，其制造速度慢、精度要求高，英特爾舉了個(gè)例子：目前的刻蝕工藝是要求人們從埃菲爾鐵塔頂上丟一個(gè)球下去，確保這個(gè)球和目標(biāo)之間的偏移度是厘米級別的，因此目前英特爾的144層NAND，是通過3個(gè)48層的顆粒堆疊起來，形成144層NAND，在數(shù)據(jù)存儲模式上采用的QLC。具體到產(chǎn)品上，英特爾在發(fā)布會(huì)上詳細(xì)介紹了有關(guān)D5-P531 6的內(nèi)容。這款SSD是英特爾推出的144層QLC產(chǎn)品中最新的型號。D5-P5316采用PCIe 4.0接口，最高讀取速度高達(dá)7GB/s，相比第一代QLC產(chǎn)品讀取延遲降低了48%，耐久性提高了5倍。它的4K隨機(jī)讀取為800K、64K隨機(jī)寫入為最高510MBps，128KB隨機(jī)讀/寫為最高7000MB/s和3600MB/s， 4K隨機(jī)QD1的讀寫延遲為120微秒和180微秒，支持U.2接口或者E1.L接口，容量分別為15.36TB和30.72TB兩種，非常適合數(shù)據(jù)中心使用。

在功能方面，D5-P5316支持NVMe的相關(guān)功能，比如熱插拔、內(nèi)監(jiān)測、外監(jiān)測、數(shù)據(jù)日志等，其預(yù)期年化故障率低于0.44%，支持端到端數(shù)據(jù)保護(hù)，支持?jǐn)嚯姳Ｗo(hù)，數(shù)據(jù)可靠性方面則擁有業(yè)內(nèi)最高的總體讀取窗口等。在使用場景方面，英特爾也給出了一些解釋，比如云存儲（可能需要配合傲騰）、高性能計(jì)算、CND、大數(shù)據(jù)等場合都是非常符合D5-P5316的設(shè)計(jì)和基本特性的。另外，由于D5-P5316的數(shù)據(jù)存儲密度非常高，英特爾給出的數(shù)據(jù)是1U機(jī)架內(nèi)就可以存儲1PB數(shù)據(jù)，空間可以減少最多20倍。

總的來看，作為一個(gè)在存儲業(yè)界摸爬滾打30多年的廠商，英特爾存儲產(chǎn)品在技術(shù)、規(guī)格和性能上依舊是非常出色的，尤其是它根據(jù)企業(yè)及市場的特性和要求，量身定做地推出了大量新的產(chǎn)品和技術(shù)，推動(dòng)了企業(yè)級存儲的發(fā)展。希望未來（原）英特爾的NAND部門，能夠在新東家和新的商業(yè)環(huán)境下越來越好，給消費(fèi)者和企業(yè)級用戶帶來更多的創(chuàng)新技術(shù)和高品質(zhì)產(chǎn)品。