大容量NAND颗粒背后的秘密

荣耀背后的艰辛：技术进步犹如蜀道难

虽然我们看到综合应用各种方法之后，NAND颗粒的存储空间近些年来迅速增加，但其中的艰辛却不为世人所知，技术的每一小步进步，背后往往需要付出巨大代价，可谓“蜀道难，难于上青天”。

◆用新工艺升级提高集成度

这不是简单的一句话，工艺升级背后需要成千上万名工程师的支持和数十亿美元的投入。例如英特尔研发32nm制程工艺的花费为6亿～9亿美元，而且在两年内还将为4条采用32nm制程的生产线继续投入70亿美元。

NAND颗粒基本上被少数几家大厂垄断

NAND闪存的生产也存在类似情况，Flash成本与工艺的联系十分紧密，如果不紧跟业界潮流、不断提升工艺、降低成本，就很容易陷入生产越多、亏损越大的恶性怪圈，这也是为什么目前业内有数以千计的生产闪存周边产品的公司，但核心的闪存生产却几乎被三星和东芝等几家大厂所垄断。

◆难以驯服的MLC

曾经在一段时间里，MLC被视为快速提高Flash容量的法宝。毕竟简单地微调生产线，重新设计Flash控制器就能成倍的提高Flash容量。但是MLC的工作原理决定了其性能和寿命无法与传统的SLC相比。

SLC和MLC读取电压的示意图

从图中我们可以看到，SLC仅有1个数值电压参考点，所以控制器能够很快地判定浮栅晶体管的状态是0还是1。但在MLC的机构中，存储四种状态就意味着需要三个电压参考点。为了保证电压区间的股沟宽度足以让控制器读取数值，那么MLC的工作电压势必要大于SLC，于是就造成了三个弊端：

A．更大电压跨度使得MLC写入和读取速度受到很大影响，因为更高的电压需要注入更多电荷，而这是需要时间的；
B．更高的工作电压极大地损害了浮栅的稳定性，使得MLC闪存的寿命只能达到SLC的十分之一；
C．为了保证数据写入读取的正确性，必须在写入前和读出后进行复杂的CRC数据校验工作，这样更进一步降低了MLC的读写性能。

即便到目前为止，MLC仍然不能脱掉“低能廉价”的帽子，在需要性能和稳定性的场合，如英特尔生产的企业级固态硬盘X25-E中始终坚持使用SLC Flash芯片。与之形成鲜明对比的是，3bit 8数据位的MLC还没有大规模推广就爆出稳定性问题，不得不尴尬返厂。

◆“高处不胜寒”

或许大家觉得盖个3～5层的“小洋楼”很容易，随便找几个懂点技术的工匠就行了。但如果是几十层的楼房呢？在微观的世界里，“盖楼”也不是非常容易的事情。而NAND颗粒的特性要求它能够拥有极高的稳定性，即便是遇到“地震”、“海啸”时仍能屹立不倒，保证数据安全。

首当其冲的便是芯片成品的厚度。以我们常用的MicroSD存储卡为例，这种产品的厚度为1mm，除开PCB基板、模具的厚度，留给晶片的厚度不到500μm(即0.5mm)。而传统的12英寸(直径300mm)晶圆切割厚度在80μm，粘合晶片的粘合剂厚度也要60μm，加上必要的Flash控制器，我们只能完成4层堆叠的MCP产品，效果不甚理想。为此，工程师们开始改进生产和封装工艺，抛弃切割极限80μm的晶圆锯，而使用更加先进的激光切割技术，成功地将晶圆厚度降低到30μm；与此同时改进粘合剂配方，在保证粘合性能和坚固的前提下将粘合层厚度降低到20μm，这样在MicroSD卡有限的空间里就堆叠多9层晶片。

多层堆叠的方式

其次要考虑的问题是如何散热，由于至今未能找到可靠的垂直MCP散热方式，这样高密度的堆叠MCP技术目前只能使用在发热不高的Flash存储上。当将多层高速逻辑芯片(如计算核心、接口控制器等)堆叠封装起来后，多个芯片工作发出的热量会在狭小的空间内快速积聚，极大的影响芯片稳定工作，同时由于粘合剂与晶圆具有不同的热胀冷缩特性，片内高温还会损害芯片封装的稳定性。同时，对功耗的控制还导致了堆叠MCP闪存无法使用更高性能(同样高能耗)的闪存晶片和控制器，也影响了堆叠MCP芯片的读写性能。