大容量NAND颗粒背后的秘密

追求容量，大兴土木搞地产

在确定了内部结构和外部接口后，NAND Flash便进入了快速发展期，用迅速提高容量和性能的方式来抢占市场。要达成这一目标，我们首先需要改进的便是生产工艺。

◆工艺升级：NAND Flash的助推剂

要让闪存能够存入更多的数据，就需要在内部放置更多的浮栅晶体管。这个道理非常简单，但是鉴于终用于芯片产品中的晶片(晶圆切割后的裸片，也就是Die)只有那么大，于是我们只能在晶片上频繁地进行“旧城改造”工作，使单位面积内能够装下更多的晶体管。在这种指导思想下，Flash的制造工艺迅速从250nm(128MB)发展到90nm(2GB)、直到现在的30nm生产工艺，从技术角度来看，NAND颗粒的生产工艺始终领先同时代CPU生产工艺一个身位。

闪存颗粒的生产工艺与CPU非常相似

现在GB级的闪盘也许已经能够满足大多数人的需求，但正好像在2GB的闪盘中很少有厂商使用2枚1GB的芯片，更多的存储设备都只对单颗大容量的芯片更感兴趣。随着智能手机、数码相机技术的迅速发展，市场对大容量存储芯片的要求也越来越高，而且这种趋势正变得愈发迫切。特别是存储设备缩小之后，例如现在的MicroSD卡，对闪存颗粒的要求越来越高，传统的“旧城改造”已经跟不上时代发展的要求，这就催生了存储概念的升级换代。

◆MLC：存储概念升级的“歪脑筋”

消费者对于闪存容量的贪欲，让工程师们开始动起“歪脑筋”，那就是改变浮栅职能，让每个浮栅可以存入更多的信息数据。

早的浮栅跟内存芯片中的基本存储单元一样，只能一个单元记录一个“0”或者“1”，这样的Flash芯片被称作单层式存储(Single Level Cell，简称为SLC)。经过对浮栅存储电荷数量以及读取电压的研究，工程师试着让改进之后的浮栅晶体管有选择性的存入不同数量的电荷，并在读取时表现出不同的电压值，这样一个单元就可以记录下四种不同的状态，分别为“00”、“01”、“10”以及“11”。这样一来，在利用现有生产线产能，且不需要增加多少成本的情况下将闪存容量增加一倍。这便是多层式存储闪存(Multi Level Cell，简称为MLC)。

SLC与MLC之间的差异

目前业界极端的MLC存储颗粒已经开始考虑引入3位8状态的读写，也就是同样一个记录单元，可以记录“000”、“001”、“010”、“011”、“100”、“101”、“110”以及“111”—这相当于在之前MLC的基础上再将容量提升1倍。

MLC技术的广泛应用虽然暂时缓解了普通用户对容量的要求，但好景不长，固态硬盘的到来让NAND颗粒再一次陷入困惑中—因为固态硬盘需要提供上百GB的容量以及超越普通硬盘的读写性能，且价格还不能太高。而另一方面，短期内制造工艺方面已经没有更大的潜力可挖了，这要怎么办呢？工程师开始在芯片集成上打主意了……

◆堆叠：芯片中的摩天大楼

在芯片产业的初级阶段，一颗封装好的芯片往往只会包含一颗晶片；如果系统需要复杂的功能，将多颗芯片集成在电路板上就可以了。但移动设备和微型存储设备的需求很特殊，需要在极其有限的空间内实现大容量，于是工程师们必须认真考虑多芯片封装的可能性(Multi Chip Package，MCP)。

目前，多芯片封装技术中使用多的仍然是平行排列的MCP，如英特尔第一代双核处理器Pentium D，以及新的Core i5处理器(CPU单元+IGP单元)。但平行的MCP会显著增加芯片成品的面积，这对于Flash工业来说并不现实，于是垂直MCP就成了好的解决方案。

Core i3处理器便是典型的平行封装

简单来讲，垂直MCP技术就是将多片晶圆通过粘合剂垂直粘在一起，并通过导线让他们互相接通，后才将粘合在一起的Die们封装成一个芯片。这样就可以在较小的面积内实现更多的功能或者存储容量，弥补芯片制造工艺上的不足。随着垂直MCP技术的日趋成熟，我们在文章开头提到的32GB MicroSD和64GB NAND芯片终于诞生了。

其中在32GB的Micro SD卡中，工程师将8片NAND Flash晶片和1片控制器垂直封装在一起，同时达到了MicroSD卡1mm厚度的要求。在对厚度要求不是很明显的场合，三星更是将16片NAND Flash晶片和一片控制器垂直封装在一起，组成64GB的海量空间。如果使用这种芯片，很多上网本可能只需要一颗NAND颗粒就可以满足存储容量的需求了。