為什麼英特爾/美光的3D快閃記憶體還在用浮柵型結構？

雖然英特爾和美光已經解除在快閃記憶體領域的合作了，不過到96層3D NAND為止它們的技術還是共同研發的。所以今天介紹的內容同時包括英特爾和美光，或者說是它們二者位於猶他州利希市的合資工廠IMFT所採用的快閃記憶體技術。

Floating Gate VS Charge Trap

長久以來Floating Gate浮柵式結構一直是平面NAND快閃記憶體的共同選擇。快閃記憶體使用浮柵層中的電子來記錄和表達數據。在最上方的控制柵極施加正電壓，電子就通過隧道氧化層進入Floating Gate浮柵，完成寫入操作。在Substrate襯底施加正電壓，可以將電子從浮柵層吸引出來，完成擦除操作。隨著擦除次數的增多，隧道氧化層老化，存儲在浮柵中的電子就容易流失而導致數據出錯，不斷磨損的最終的結果就是快閃記憶體單元損壞。

Charge Trap電荷捕獲型結構的提出略早於3D NAND快閃記憶體，並在3D快閃記憶體時代成為主流的選擇，包括三星、東芝、SK Hynix在內的快閃記憶體廠商普遍選擇了Charge Trap，只剩英特爾/美光在3D NAND中堅持Floating Gate不動搖。

在2013年的快閃記憶體峰會上，三星介紹V-NAND時，用比喻的方式解讀了Floating Gate浮柵型與Charge Trap電荷捕獲型的區別：前者像水一樣可讓電子在其中自由移動，後者像乳酪一樣捕獲電子，使其難以動彈。顯然，Charge Trap電荷捕獲型結構有利於減少隧道氧化層變薄和老化對擦寫壽命產生的影響，簡而言之，這項技術可以有效提升快閃記憶體的耐久度。

不以Floating Gate為恥：

美光在官網上非常自豪的宣布，自己是首個將floating gate浮柵結構應用到3D快閃記憶體當中的。換句話說，美光不認為自己的選擇就比三星、東芝和SK Hynix全都採用的Charge Trap電荷捕獲型結構落後。

Charge Trap電荷捕獲型結構有很多優勢，比如製造工藝更簡單、存儲單元間距可以做的更小、隧道氧化層老化磨損速度降低、更節能。而凡事都有兩面性，英特爾/美光選擇繼續使用的Floating Gate浮柵型也並非一無是處，比如在讀取干擾、數據保持期上，Floating Gate理論上比Charge Trap表現的更好。

簡單來說，採用Charge Trap有助於更高的快閃記憶體寫入耐久度，Floating Gate則有利於實現更長的斷電數據保持時間。當然，這裡的比較是基於理論研究的成果，並不是具體某個快閃記憶體型號的直接對比結果。

浮柵結構的英特爾/美光3D NAND並不弱雞：

使用傳統Floating Gate浮柵式結構的英特爾/美光3D NAND快閃記憶體也有很多創新之處。比如CuA（CMOS Under the Array）設計將超過75%的邏輯電路（包括地址解碼和頁面緩衝器等）放置在快閃記憶體之下，提高了存儲密度，有助於獲得成本優勢。

當代快閃記憶體的Page大小已經達到16KB，而操作系統主要使用4KB隨機讀寫。為了提升4K隨機讀取效能，英特爾/美光在3D NAND快閃記憶體當中引入了Snap Read功能。在Snap Read幫助下，第二代64層堆疊3D快閃記憶體中典型Page頁讀取延遲從78微秒降低到49微秒。

Snap Read在第一、第二和未來第三代3D NAND快閃記憶體中具有不同程度的支持。

英特爾/美光將16KB的Page分為3個8K+區段：對應0-9295位元組、4648-13943位元組和9296-18591位元組。Snap Read啟用時，讀取命令指定的位元組地址決定要讀取的8K+區段。定址前4KB+部分（包括4KB和Spare area，下同）時激活第一個8KB+部分讀取，定址第二個4KB+部分激活中間的8KB+部分讀取，定址第三和第四個4KB+部分激活末尾的8KB+部分讀取。

Snap Read通過讀取部分頁面，能夠讓4K讀取速度更快一些，同時還能降低功耗。對於固態硬碟來說，Snap Read的直接影響就是4K單線程讀取性能更強。下圖是PHISON群聯下一代E12主控搭配東芝和美光3D快閃記憶體時的CrystalDiskMark成績：

眾所周知，由於SLC Cache的原因，CrystalDiskMark測出的4K讀取性能都是基於SLC Cache的結果。受益於Snap Read的影響，美光B16A（第二代64層堆疊3D NAND，單Die 256Gb容量）的4K讀取延遲更低，在同樣的主控下單線程4K讀取性能取得了顯著的領先優勢（67.73MB/s Vs 56.69MB/s）。

當然，隨著英特爾和美光雙方在快閃記憶體研發上分道揚鑣，業界也不確定之後會不會有誰最終轉向更大眾的Charge Trap電荷捕獲型結構。

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