當英特爾在1988年推出第一批NOR芯片時，閃存開始聲名鵲起。并且，NOR為三年后的NAND閃存鋪平了道路。在所有半導體技術中，NAND的部署速度史無前例，在短短十年內，從18億美元增長到180億美元。到2017年，該技術創造500億美元收入，這是創歷史記錄，相當于1990年全球半導體市場的總和。NAND閃存無疑是大市場。

但隨著業界開發出多種新的存儲技術作為潛在替代品，這種局面即將發生改變。

NAND閃存面臨限制

在過去40年里，根據摩爾定律，通過平均每年減少30%單個比特的大小，每年或每兩年半導體芯片上的晶體管數量翻一番。這反過來又可降低成本，推動芯片更廣泛的部署。這種30%的減少被稱為工藝縮減，而這種持續的尺寸和成本降低的現象被稱為縮放。

大多數半導體都可以持續縮小，但閃存不是這樣：在閃存中，位作為電子存儲在浮動柵極上，浮動柵極可承載的電子數量與晶體管的大小成正比。在15納米（nm）工藝幾何結構中，1和0之間的差異僅為幾十個電子，這在數字芯片內的噪聲中極其難以檢測。如果制造商將晶體管的尺寸減小30%%，正如他們一直做的那樣，那么，電子的數量就會低于可檢測的水平。

整個半導體市場一直建立在持續降低成本的期望之上。如果閃存價格不再下降，這顯然行不通。面對平面NAND縮放限制，我們應該怎樣做來繼續降低成本？

3D NAND登場

在2006年，東芝（Toshiba）推出了一個聰明的解決方案。他們不是繼續縮小芯片表面的晶體管，而是創建垂直結構并沿著塔璧建造晶體管，類似于城市辦公樓墻壁的垂直花園。如果地球表面沒有足夠的種植面積來種植花園，那么就在建筑物的墻壁種植吧。

即使晶體管無法縮放，通過利用這種方法來增加芯片上的晶體管數量，東芝計劃繼續降低閃存單元的成本。他們將這種方法稱為Bit Cost Scaling，或者說BiCS，這是3D NAND閃存的基礎。

BiCS不僅可以繼續降低成本，還可支持繼續使用NAND閃存，因為3D NAND和平面NAND非常相似，只需很少或者根本不需要重新設計就可互換使用。消費者可能會使用兩個USB閃存驅動器，一個采用3D NAND，另一個是平面NAND，但他們無法區分二者。這比其它一些新的存儲技術更具優勢。 目前業界采用東芝的方法。通過BiCS，通過填充半導體層中的孔，在形成的列中構建位。那問題就變成：我們可以構建多高的垂直位塔？現在還不清楚。

當東芝首次開發BiCS時，人們普遍認為列中位數將受到芯片中層數的限制，以及用于創建列的孔的寬度和深度的限制。制造商不能使這個孔小于20nm，因為一些同心層材料必須涂覆在內部，而這些同心層具有最低厚度要求。同時，深度與垂直層的數量成比例，而這些垂直層也有最低厚度要求。考慮到這些限制，孔的縱橫比（深度除以直徑）由閃存中的垂直層數決定。

構建3D NAND

3D NAND采用相對簡單的方法以將更多晶體管放在芯片上：在側向構建晶體管，而完全不同于此前的方式。

大多數芯片通過光刻工藝制造。在這里，制造數十億晶體管的模式被映射到硅晶片表面，通過類似于照片底片被稱為mask的方法照射光線，然后處理未曝光的硅片部分。這本質上是一種平面方法；照片總是二維的。

那么，我們如何將其轉變為3D？在創建3D NAND時，創造者意識到他們可通過另一種方法來構建他們需要的高度重復的模式。如果他們在芯片表面制造很多層材料，例如夾心蛋糕，然后他們可在所有這些層蝕刻孔。這產生的結構類似于在孔壁側面打印照片。同時，這不需要采用照相過程就可完成，因為這種模式已存在于圖層中。當然，除此之外還有更多細節，但這基本就是3D NAND的秘密。

40比1的縱橫比難以制造，60比1則極具挑戰性。但隨著層數增加，則需要更高的縱橫比。這似乎意味著3D NAND將限制為三代，或者說大約100層，然后它會被新技術取代。

半導體研究人員是非常創新的群體，他們又提出新的想法，被稱為字符串堆疊，可支持更高的層數。通過字符串堆疊，可制造一定層數的3D NAND，然后在其上方構建另一組層級。每組新的層，會形成新的孔，但這個孔是通過較少層數來蝕刻，因此其縱橫比保持適中。例如，Micron Technology通過32層兩次蝕刻來產生當前的64層3D NAND，而不是通過64層來蝕刻具有挑戰性的孔。這相當于兩個30比1縱橫比孔和一個60比1縱橫比孔之間的差異。

沒有人知道字符串可堆疊多少次會達到極限。普遍的觀點是500層限制，但這無法確定。在半導體世界中，常識通常被證明是錯誤的。

現在的64層芯片的密度高達1太字節（128GB），而500層芯片可能可存儲幾乎10倍多數據。我們當然可以想象太字節芯片。如果太字節芯片構建在500層工藝上，這相當于64層128GB。 字符串堆疊的影響意味著3D NAND可能還會存在很長一段時間時間。

3D XPoint呢？

在2015年，英特爾和Micron推出名為3D XPoint的新型內存。這項新技術承諾提供類似RAM的動態速度，價格點在DRAM和NAND閃存之間。這里的目標是在DRAM主存儲和NAND SSD之間提供新的存儲層，以提高計算機的性價比。

3D XPoint并不會取代NAND閃存或DRAM，盡管它可能會用于減少系統所需的DRAM數量以達到任何給定的性能水平。這完全不同于很多新存儲技術，因為很多新存儲技術旨在取代閃存或DRAM—當達到擴展限制時。

到目前為止，3D XPoint只能在PCIe非易失性存儲器快速（NVMe）接口中使用。雖然NVMe是SSD最快的接口，但與3D XPoint內存的固有速度相比，它速度仍然較慢。事實上，雖然英特爾和Micron公司認為3D XPoint的速度是NAND閃存的1000倍，但事實上，英特爾Optane固態硬盤的速度只有NAND閃存的六到八倍。

顯然，這里需要DIMM接口來釋放3D XPoint的速度以及充分利用其性價比優勢。英特爾承諾以DIMM格式發布3D XPoint內存，但他們尚未公開推出這樣的產品。不過，英特爾透露，他們已經在2018年8月的閃存峰會上向谷歌提供這些DIMM。

Objective Analysis的2015年3D XPoint報告預測，3D XPoint內存最重要的市場是用于服務器的DIMM。我們也認同這一結論。現在的3D XPoint內存市場規模相對較小，主要包括愿意花費大量資金來小范圍提升性能的客戶。

英特爾的3D XPoint戰略

讓英特爾頭痛的是，3D XPoint市場規模仍然很小，這讓他們無法將該產品大批量生產。如果沒有高產量，其生產成本將會保持很高，可能高于DRAM。然而，英特爾必須以低于DRAM的價格出售3D XPoint，才會吸引消費者。這意味著英特爾必須賠錢來建立市場。

這種方法可能不會吸引其他公司，但對于英特爾來說則不同。3D XPoint內存使該公司可銷售價格更高的處理器，以幫助他們賺回在3D XPoint銷售中損失的資金。

其他新興內存技術

3D XPoint只是眾多正在研發的新內存技術之一。有些內存技術已經開發相當長的時間，例如相變存儲器（PCM），英特爾的Gordon Moore早在1970年就寫過相關文章。

這些新技術可實現高性能、低功耗、非易失性以及最重要的是，超越DRAM和NAND閃存的擴展限制。但NAND閃存和DRAM開發商仍在繼續想辦法繞過障礙，從而推遲新技術取代NAND和DRAM的時間。

嵌入式存儲市場最有可能成為這些新技術的溫床。但這些新技術可能需要很長時間才有機會取代DRAM或者NAND閃存。嵌入式內存將更快采用新技術，因為邏輯芯片上的內存必須簡單且經濟地用于制造ASIC、微控制器和微處理器。

NOR閃存是這些芯片上最常見的非易失性內存，它難以擴展超過45納米，雖然實驗室原型可達到最低14納米。同樣的，即使是靜態RAM也很麻煩，SPAM位的大小無法成比例地縮放。這可能導致芯片的SPAM部分膨脹，并限制成本優勢，這是縮放ASIC、微控制器和微處理器到更小工藝可實現的成本優勢。

NOR和SRAM都是是新存儲技術可取代的對象，新技術還包括：

磁性RAM（MRAM）是基于磁性技術，目前已經在大批量生產中，用于制造HDD中的磁頭。五年來，Everspin Technologies一直在生產這種非易失性技術作為獨立內存，并且正在開發嵌入式版本。MRAM是基于類似DRAM的但晶體管單元，使其能夠在成本上與DRAM競爭，而不是NAND閃存。

相變內存是英特爾和Micron的3D XPoint內存的基礎。大約在10年前，它作為NOR閃存的替代品投入生產，但只有英特爾、三星和STMicroelectronics推出該技術，現在這些廠商已經放棄該產品。

鐵電RAM（FRAM）已經投入生產長達20多年，但由于它依賴鉛材料而破壞底層硅的完整性，因而人們對其認可度有限。盡管如此，富士通生產的基于FRAM芯片幾乎超過所有替代內存替代品的總和。新的研究已經確定一種更友好和更好理解的材料：氧化鉿，可作為鐵電層，使得人們重新關注這項技術。

導電橋接RAM（CBRAM）是基于通過硫系玻璃對金屬絲的遷移。Adesto Technology是唯一一家提供這種內存類型的公司。

電阻式RAM（ReRAM）采用一種類似的技術，其中納米金屬絲通過硫系玻璃層生長。ReRAM開發了一種位單元，其中包含內部選擇器機制，可簡化生產過程，同時無需開發單獨的選擇器。

耗氧RAM（OxRAM）是基于類似CBRAM的現象，其中氧離子從硫系玻璃中移除以形成導電通路。該技術尚未投入生產。惠普企業計劃在其高級計算機The Machine中使用OxRAM，但這種方法（被稱為Memristor）被推遲到最近。

Nanotube RAM, or NRAM,by Nantero is based on a layer of carbon nanotubes that can be electrically compressed or expanded to create a high- or low-resistance state.

納米管RAM或者NRAM是基于碳納米管層的技術，它可被電力壓縮或擴展以產生高阻抗或低阻抗狀態。

除MRAM外，所有這些技術都是基于雙端選擇器。這些選擇器支持微小的單元尺寸–4f2，或者是光學印刷在芯片的最小特征尺寸的四倍。它們也可采用3D XPoint內存類似的方法進行堆疊以降低成本。

直到最近研究才發現，我們可利用氧化鉿來制造FRAM，所有上述技術都需要使用新材料，這些材料并不像硅那么好理解。這無疑阻礙這些新技術的部署，因為這些新材料可能會阻礙大規模生產。

成本是阻止這些技術取代現有內存技術的最重要因素。所有這些存儲技術都比DRAM或NAND閃存貴幾個數量級，使它們只能用于小眾應用。FRAM，可在低功耗下快速寫入的技術。而MRAM，可快速寫入并具有非易失性，而無需不可靠的電池。PCM因其高輻射耐受性而被選用于衛星，而CBRAM出于類似的原因，用于高劑量X射線滅菌的外科手術器械中。

在這些技術投入批量生產前，沒有哪項技術可實現低成本以取代現有內存技術。除非有市場，否則不會大量生產，而在價格下降之前市場不會發展。這是雞與雞蛋的關系。

展望未來十年

至少在未來十年，NAND閃存仍然將占主導地位，隨后是DRAM。如果英特爾實現其3D XPoint目標，那么它將投入批量生產—盡管英特爾最初將賠錢賺吆喝。在短期內，其他新內存技術將作為片上內存獲得成功，但它們將在相當長的時間內無法與獨立的DRAM和NAND閃存芯片相競爭。鄒錚翻譯