當(dāng)前，2D MLC是主流的解決方案，但是徐偉認(rèn)為，它的工藝和成本已經(jīng)到達(dá)極限，目前的工藝沒(méi)有辦法優(yōu)化。所以3D Nand的出現(xiàn)解決了這一尷尬的問(wèn)題，可以提供小于10納米的制程技術(shù)，提高更大的容量，更高的密度，為未來(lái)的大容量存儲(chǔ)提供了可能性。
數(shù)據(jù)庫(kù)和虛擬化的利用，它的IO模型特別適合閃存的應(yīng)用，閃存將會(huì)成為數(shù)據(jù)中心解決IO問(wèn)題的主流方法。徐偉表示，從2016年起，3D Nand會(huì)逐漸進(jìn)入數(shù)據(jù)中心，在2017年將會(huì)成為主流的解決方案。作為企業(yè)來(lái)講，將會(huì)獲得更高性能的、更大容量的企業(yè)級(jí)產(chǎn)品，最終降低自己的運(yùn)維成本，降低在硬件上的投入。
寶存作為制造廠商，基于3D Nand會(huì)更新自己的產(chǎn)品線，寶存的旗艦產(chǎn)品6.4T，一個(gè)季度以后可以輕松做到12.8T，預(yù)計(jì)2017年將可以做出單卡容量25T以上的產(chǎn)品。
20年來(lái)，閃存的成本下降了5萬(wàn)倍之多，曾經(jīng)的“黑科技”轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢云占皯?yīng)用的產(chǎn)品，并且已經(jīng)具備了大規(guī)模進(jìn)入數(shù)據(jù)中心使用的條件。
以下為演講實(shí)錄：
大家好！我是上海寶存信息科技有限公司的徐偉，借此機(jī)會(huì)給大家介紹目前半導(dǎo)體行業(yè)，閃存行業(yè)跟我們制造商面臨的情況。我會(huì)給大家介紹目前2D閃存的發(fā)展情況，遇到的問(wèn)題。3D閃存的現(xiàn)狀，以及它的發(fā)展?fàn)顩r。簡(jiǎn)單分析閃存定義的數(shù)據(jù)中心應(yīng)用情況，推出基于3D Nand Flash將會(huì)是以后數(shù)據(jù)中心的主流選擇。
講Flash制造工藝的時(shí)候不得不提制程，就是兩個(gè)最小的功能單元之間的距離。從十年前，大概是50納米的水平進(jìn)入到去年最新的工藝，也是目前主流的工藝15納米。其實(shí)它的驅(qū)動(dòng)力就是成本，成本下降才有可能帶來(lái)大規(guī)模的應(yīng)用，這是統(tǒng)計(jì)，其實(shí)閃存的介質(zhì)在90年代初就有，那個(gè)時(shí)候利用我們現(xiàn)在的話來(lái)說(shuō)，這是屬于在軍方的黑科技。到零幾年的時(shí)候，當(dāng)我們知道閃存可以制作固態(tài)硬盤的時(shí)候也沒(méi)有多少人可以用得起。20年中，閃存的成本其實(shí)是下降5萬(wàn)倍之多，相對(duì)GDP增長(zhǎng)來(lái)說(shuō)，它的倍數(shù)依然很高，結(jié)果就是閃存的應(yīng)用成本下降非?？?，很快就黑科技轉(zhuǎn)變?yōu)橛锌赡苁褂玫臇|西，以及到現(xiàn)在大規(guī)模的進(jìn)入數(shù)據(jù)中心使用。flash制作工藝上目前是使用2D Nand，Nand使用的工藝最新，第一條線是CPU制作工藝，達(dá)到了30納米的水平，第二條是DRAM，目前的工藝處在20納米的水平。商用沒(méi)有那么長(zhǎng)時(shí)間Nand，現(xiàn)在接近10納米的支撐，已經(jīng)界限物理極限。再往下做的話，它的可靠性會(huì)非?？皯n，目前沒(méi)有能夠突破。相對(duì)制造成本來(lái)講，從工藝的升級(jí)帶來(lái)成本下降，開始會(huì)很快。但是在到達(dá)20納米的時(shí)候，我們稱之為EX納米級(jí)別的時(shí)候，成本下降變的非常頻繁。
我們常說(shuō)閃存的基本介質(zhì)，SLC、MLC，在容器內(nèi)如何識(shí)別定位？如果有和沒(méi)有是兩種，我們可以定義為0和1，這樣區(qū)別是比較粗糙的，但是也是比較容易實(shí)現(xiàn)的。后來(lái)我們發(fā)現(xiàn)可以更加精準(zhǔn)地區(qū)分定位的時(shí)候，我們可以把它分成四份，這樣就是MLC，目的是什么？目的是在同樣的介質(zhì)里面，我們能夠存儲(chǔ)更多的數(shù)據(jù)，相對(duì)SLC來(lái)講，MLC能夠存儲(chǔ)的比特就會(huì)直接的翻倍。當(dāng)然它的驅(qū)動(dòng)力還是成本，目前2D Nand接近10納米遭遇的嚴(yán)重挑戰(zhàn)，中學(xué)有概念是萬(wàn)有引力，兩個(gè)物體有重量距離不近我們認(rèn)為沒(méi)有關(guān)系。距離近的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生干涉，我們用于電子的容器，當(dāng)它們的距離達(dá)到10納米的級(jí)別，一個(gè)容器里面電子的活動(dòng)就會(huì)對(duì)另外一個(gè)臨界的容器里面的電子產(chǎn)生影響。我對(duì)一個(gè)單元進(jìn)行擦洗，不可能會(huì)影響旁邊的數(shù)據(jù)，我們稱之為干涉。到這個(gè)級(jí)別的時(shí)候，目前的工藝還沒(méi)有辦法能夠很好地突破干涉。我們想了辦法，我們從原來(lái)平面的結(jié)構(gòu)把它豎起來(lái)，在晶圓上可以放下更多的疊層。這涉及到成本的問(wèn)題，因?yàn)樵?D的Nand上做疊層，3D Nand的情況下使用的晶圓是可以少一些的。如果說(shuō)純粹地對(duì)2D Nand，它的成本不會(huì)下降。目前3D Nand使用的制程是40納米，如果從剛才的圖來(lái)看這是屬于10年前的制程技術(shù)，盡管在低的制程工藝情況下，它仍然可以做到等效于10納米以下2D Nand的成本。3D Nand出現(xiàn)以后，我們從成本下降平緩的點(diǎn)，又迎來(lái)了另外一個(gè)拐點(diǎn)，有了3D Nand以后，我們可以讓成本下降的曲線斜率再次增大。2D Nand的容量最大是128G，3D Nand出現(xiàn)了以后我們很快非常輕松地可以達(dá)到256G，一年之內(nèi)有預(yù)期的應(yīng)該是可以達(dá)到單個(gè)芯片512G的容量，就是兩個(gè)指甲蓋的面積可以做這么大的容量。
3D Nand是堆疊層，堆的層數(shù)越多，我的成本可以分?jǐn)偟膮柡Γ绻f(shuō)堆十層成本會(huì)變成1/10。但是大家都知道，我不可能通過(guò)簡(jiǎn)單地堆疊就可以獲得成本的線性降低，或者說(shuō)指數(shù)級(jí)的降低。因?yàn)樽罱K如果說(shuō)您的層數(shù)足夠多的話，一定會(huì)又遇到工藝的問(wèn)題。疊層到達(dá)一定的程度，這個(gè)成本會(huì)到達(dá)一定的拐點(diǎn)。目前3D Nand我們的樣品在48的疊層，疊層到達(dá)100層左右的時(shí)候才會(huì)出現(xiàn)成本的拐點(diǎn)。因此，目前3D Nand在到達(dá)拐點(diǎn)之前還會(huì)有非常多的進(jìn)步空間，有足夠的時(shí)間讓我們達(dá)到這個(gè)平衡點(diǎn)，并且突破這個(gè)平衡點(diǎn)。
單位面積上，3D Nand相對(duì)2D Nand，可以做到2倍以上的容量增加，這是我們供應(yīng)商給我們的數(shù)據(jù)。3D Nand大家肯定會(huì)想工藝改變了，密度增大了，可靠性如何審視？可靠性有增強(qiáng)的地方。我們使用的工藝制程技術(shù)是10年前的40納米的技術(shù)，有這樣的距離存在單元與單元之間的干涉就可能不是問(wèn)題，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在已經(jīng)能夠處理15納米級(jí)別的干涉問(wèn)題，40納米就不是問(wèn)題。所以它們之間從這點(diǎn)來(lái)講，因?yàn)殚g距的增大，3D Nand的可靠性會(huì)有增強(qiáng)。另外，原來(lái)我們鎖住電子或者操作，現(xiàn)在我們使用了Charge Trapping。我們實(shí)際得到的結(jié)果是橫線的部分，在2D時(shí)代是虛線的部分。使用新的機(jī)理以后可以更加容易區(qū)分電位的區(qū)別，相鄰的電位之間重疊的部分更小，我們可以更好地區(qū)分。這樣在KLC或者說(shuō)以后的QLC，區(qū)分8個(gè)和16個(gè)暗電位，它們的細(xì)節(jié)是非常細(xì)微的。
3D Nand會(huì)遭遇挑戰(zhàn)，提到閃存的時(shí)候有一個(gè)概念數(shù)據(jù)可保持性。充進(jìn)去多少電子形成電位，電位在我一段時(shí)間以后再過(guò)來(lái)讀，它有沒(méi)有變化，是不是還是原來(lái)的數(shù)據(jù)，這是有可能有變化的。電子在3D Nand上多了一個(gè)維度的泄漏方式，在數(shù)據(jù)的可保持性上有一點(diǎn)挑戰(zhàn)。但是控制器會(huì)解決這個(gè)問(wèn)題。失效的可能性多了一部分，原來(lái)在平面上我們只有一個(gè)維度的失效的可能，但是在3D的維度上我們有平面和豎直方向兩個(gè)失效的可能。因此，使用3D Nand對(duì)控制器的要求更高，但是現(xiàn)在控制器的生產(chǎn)水平其實(shí)已經(jīng)考慮到了這一點(diǎn)。比如說(shuō)我們有更強(qiáng)的ECC的能力，我們可以使用更先進(jìn)的解碼技術(shù)。除此之外，我們?cè)赟SD的制造商，我們?cè)诟鱾€(gè)芯片之間可以使用RAID，更好地RAID，可靠性更高的RAID解決數(shù)據(jù)一致性的問(wèn)題，解決部分的產(chǎn)品和部分的元件失效的問(wèn)題。寫入方式上，我們嘗試不同的編程方式，能夠?qū)@樣大的載體實(shí)現(xiàn)更高速度的解讀。
目前數(shù)據(jù)中心跟閃存的關(guān)系，數(shù)據(jù)中心偏向于云化，云化最后會(huì)產(chǎn)生兩類主流的應(yīng)用。一類是數(shù)據(jù)庫(kù)，一類是虛擬化。這兩種業(yè)務(wù)都有著非常強(qiáng)的隨機(jī)化的特性，對(duì)虛擬化來(lái)講我的存儲(chǔ)承載的是所有的虛擬機(jī)，每一個(gè)虛擬機(jī)的業(yè)務(wù)不一樣，它的IO模型也是不一樣的。我收到所有虛擬機(jī)發(fā)過(guò)來(lái)的IO請(qǐng)求，這會(huì)非常的復(fù)雜。底層來(lái)看這是完全隨機(jī)的IO形式，在機(jī)械硬盤時(shí)代，其實(shí)機(jī)械硬盤應(yīng)該是通過(guò)轉(zhuǎn)盤片搖磁臂讀取數(shù)據(jù)的，在應(yīng)對(duì)隨機(jī)讀寫的請(qǐng)求下會(huì)非常吃力。在閃存的時(shí)代不存在這個(gè)問(wèn)題，基本上在閃存時(shí)代的話順序和隨機(jī)是一樣的效率。閃存可以提供系統(tǒng)在存儲(chǔ)路徑更低的延遲，延遲在目前可能是我們?cè)谙到y(tǒng)優(yōu)化中最重要的一點(diǎn)。我們沒(méi)有考慮延遲之前，系統(tǒng)優(yōu)化基本上只有一個(gè)方法，通過(guò)并行來(lái)優(yōu)化。但是并行的優(yōu)化可以找到極限的，這是阿姆達(dá)定律。如果解決一個(gè)性能，我們使它的性能翻倍，我們想追求等式左邊的S足夠大，我們可以估算出我們做并行優(yōu)化可以達(dá)到什么樣的提升。右邊的曲線是幾個(gè)取值，右邊的參數(shù)P代表可被優(yōu)化的負(fù)載在總負(fù)載的百分比，S就是并行的數(shù)量。我們可以看到如果一個(gè)系統(tǒng)它可以被優(yōu)化的負(fù)載占50%，其實(shí)在這個(gè)系統(tǒng)的可被優(yōu)化的空間已經(jīng)非常大。如果有50%的負(fù)載可以被并行優(yōu)化，哪怕是上到幾千的并行，它優(yōu)化的極限只有2倍，就是最下面的曲線。除非可以被優(yōu)化的負(fù)載可以達(dá)到95%，我可以通過(guò)特別高的并發(fā)在最后達(dá)到極限20倍的提升。在并行優(yōu)化黔驢技窮的情況下，如何縮短路徑的時(shí)間，延遲是系統(tǒng)優(yōu)化的方向，閃存在這方面有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。
3D Nand在企業(yè)級(jí)的應(yīng)用中會(huì)成為未來(lái)的趨勢(shì)，我們目前使用48層的疊層，大家可以認(rèn)為48層是一個(gè)拐點(diǎn)，可以和2D的Nand進(jìn)行PK，疊層高于48層，它的成本一定比2D的低。目前達(dá)到成本的拐點(diǎn)，這是在100疊層左右，3D Nand成本優(yōu)化空間非常巨大。3D Nand可以做TLC，可以做出更多的容量?；?D Nand企業(yè)級(jí)的SSD，包括寶存在內(nèi)的廠商都在嘗試，明年3D Nand是閃存廠商使用的主要介質(zhì)。TLC和MLC，市場(chǎng)剛剛出現(xiàn)SSD的時(shí)候，可能我們所說(shuō)的單元都是SLC，但是現(xiàn)在沒(méi)有人提SLC，因?yàn)槌杀竞腿萘慷疾荒苌先?。SLC當(dāng)時(shí)大家都認(rèn)為這是消費(fèi)級(jí)的應(yīng)用，不可能應(yīng)用到企業(yè)級(jí)的市場(chǎng)，隨著控制器的水平和SSD廠商組織部件的能力，我們已經(jīng)可以把當(dāng)時(shí)認(rèn)為不靠譜的MLC做成現(xiàn)在的主流企業(yè)級(jí)的應(yīng)用介質(zhì)。TLC相對(duì)MLC目前就是處于之前一個(gè)類似的情況，比如說(shuō)去年蘋果6開賣的時(shí)候，很多人會(huì)心里不高興，說(shuō)查了一下我的這個(gè)上面買的Nand閃存是TLC，我認(rèn)為這是不靠譜的。但是沒(méi)有聽說(shuō)因?yàn)檎l(shuí)拿到了一個(gè)TLC的蘋果，它的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)出現(xiàn)了問(wèn)題，因?yàn)榇鎯?chǔ)的比特多了，看起來(lái)可靠性降低，但是實(shí)際上起企業(yè)級(jí)的應(yīng)用有辦法把這樣的介質(zhì)組織成企業(yè)級(jí)的產(chǎn)品。TLC會(huì)成為企業(yè)級(jí)的應(yīng)用，而存儲(chǔ)16個(gè)比特的QLC會(huì)走入消費(fèi)級(jí)的市場(chǎng)。到時(shí)候可能買一個(gè)1PB容量的手機(jī)，這有可能會(huì)變成市場(chǎng)的主流選擇。
我們作為制造廠商，基于3D Nand我們會(huì)更新我們的產(chǎn)品線，對(duì)我們的旗艦產(chǎn)品6.4T，一個(gè)季度以后我們可以輕松做到12.8T，在明年我們可以做出單卡容量25T以上的產(chǎn)品?？偨Y(jié)一下今天跟大家分享的內(nèi)容，2D的MLC是主流的解決方案，但是它的工藝和成本已經(jīng)到達(dá)極限，目前的工藝沒(méi)有辦法優(yōu)化。所以3D Nand的出現(xiàn)解決了這一尷尬的問(wèn)題，可以提供等效于小于10納米的制程技術(shù)，提高更大的容量，然后有更高的容量，更高的密度，為未來(lái)的大容量存儲(chǔ)提供可能性。數(shù)據(jù)庫(kù)和虛擬化的利用，它的IO模型特別適合閃存的應(yīng)用，閃存將會(huì)成為數(shù)據(jù)中心以后解決IO問(wèn)題的主流方法。2016年起，3D Nand會(huì)逐漸進(jìn)入數(shù)據(jù)中心，在2017年將會(huì)成為主流的解決方案。作為消費(fèi)者來(lái)講，作為企業(yè)來(lái)講，將會(huì)獲得更高性能的，更大容量的企業(yè)級(jí)產(chǎn)品，最終降低自己的運(yùn)維成本，降低自己在硬件上的投入。
