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　　作者 | 之遙科普，清華大學專業(yè)科普團隊

　　隨著科技的發(fā)展，手機、電腦等電子設備早已成為了我們生活中不可缺少的一部分。在購買手機或者電腦時，我們通常對一個參數(shù)十分關心，那就是“內(nèi)存”。

　　如果比較手機和電腦的“內(nèi)存”大小，便會發(fā)現(xiàn)一個問題：手機的“內(nèi)存”往往是128G、256G或者512G，而電腦的內(nèi)存僅有8G或16G。

　　為什么手機的內(nèi)存比電腦大這么多呢？這就要提到我們今天要講的主角——閃存。

　　（一）閃存究竟是什么？

　　實際上，我們對于手機的“內(nèi)存”這一叫法是有錯誤的，我們所說的手機“內(nèi)存”的真名就是閃存，而與電腦內(nèi)存相應的，手機的真正內(nèi)存是手機的“運行內(nèi)存”。在電腦中和我們所謂的手機“內(nèi)存”等價的參數(shù)應該是硬盤容量。

　　內(nèi)存和閃存是兩種不同的儲存器，內(nèi)存為DRAM(Dynamic RandomAccess Memory)，它只能把數(shù)據(jù)保存很短的時間，一旦斷電了，其中的數(shù)據(jù)就會消失，因為這一特性的存在，內(nèi)存被歸為易失型儲存器。而閃存和磁盤屬于與之對應的非易失型儲存器，這類儲存器的特點便是斷電時數(shù)據(jù)也不會丟失，可以用來進行數(shù)據(jù)的儲存和運輸。

　　那磁盤和閃存又有什么差別呢？

　?。ù疟P 圖源：博客園）

　　從上圖中我們可以看到，磁盤是在一個圓形盤面上儲存數(shù)據(jù)，依靠上方的讀寫頭進行讀寫，這就讓磁盤有了不可彌補的缺點——體積大，讀寫速度慢。由于磁盤盤面旋轉和讀寫頭的機械結構是不能移除的（因為這個機械結構，磁盤也被稱為機械硬盤），數(shù)據(jù)的讀寫也需要讀寫頭移動到數(shù)據(jù)存儲的區(qū)域。

　　而閃存直接利用集成電路進行數(shù)據(jù)的讀寫與尋址，相比磁盤讀寫速度有了數(shù)量級上的提升，體積也大大減小（因為沒有機械結構，不使用旋轉的盤面，閃存也被稱為固態(tài)硬盤）。

　?。ㄩW存 圖源：IT168）

　　而我們手機說的“內(nèi)存”，就是上面右圖的這種“閃存”。

　　對于電腦，磁盤的大體積還可以容忍，但對于手機，磁盤的體積無疑是致命的?？梢赃@樣說，沒有閃存，便沒有如今發(fā)達的手機行業(yè)。閃存也因此成為與內(nèi)存和CPU并列的半導體三大產(chǎn)業(yè)之一。

　　（二）閃存中的信息是如何儲存的？

　　前文我們提到了閃存的重要性，在這里我為大家說明一下閃存儲存數(shù)據(jù)的原理。我們知道，計算機的所有數(shù)據(jù)都是一個由0和1組成的串，閃存便是一個用電信號儲存0，1串的陣列。

　　（閃存的存儲單元 圖源：維基百科）

　　閃存的結構與mosfet（金屬氧化物半導體場效應管）相似，都由柵極和溝槽組成。與mosfet不同的是，閃存的存儲單元有兩個柵極：在上面的控制柵CG和下方的浮動柵FG，F(xiàn)G與下方溝槽由氧化物絕緣層隔離，這讓進入FG中的電子無法逃離。因為這一特性，F(xiàn)G便能用來儲存信息。在FG捕獲了電子時，因為電子帶負電，F(xiàn)G中電子的電場便會抵消上方控制柵的電場，使得溝槽中的電流減少，這就代表了比特位0。在FG處于初始狀態(tài)時也就是沒有捕獲電子時，電流便會正常流經(jīng)下方的溝槽，這就代表比特位1。

　　上面我們提到，F(xiàn)G和周圍是絕緣的，這也是它能保有電子的原因。但是這也帶來了一個問題：我們該如何把電子送過絕緣層，存入FG中呢？

　　能實現(xiàn)這一點，是量子力學的功勞。量子力學允許高能粒子越過勢壘，這就是量子隧穿效應。把這個行為類比一下，在我們的常識中，我們就算跑的再快、跳的再高，也無法越過一個高墻；但是對于電子，只要它跑得足夠快，量子力學就會給它穿墻而過的可能。

　　絕緣層對于電子來說，就算那道墻。給電子電壓，就算給電子加速，也就是說，只要我們給絕緣層的兩端加上足夠大的電壓，就會有一部分電子能夠越過絕緣層?？刂齐妷旱姆较颍湍芸刂艶G中電子的流入流出，實現(xiàn)對閃存的寫入。

　　（三）閃存是是如何生產(chǎn)的？

　　有了閃存的存儲單元，我們便能很自然的把閃存排成一個陣列。

　?。∟AND閃存陣列的一個行 圖源：維基百科）

　　然后我們把這樣一個又一個陣列摞起來，就算我們現(xiàn)在應用的閃存的結構了，也就是3D NAND 閃存。

　?。?D NAND 橫截面圖 圖源：https://www.）

　　我們所說的閃存是多少層，便是閃存“片”摞列的層數(shù)。理所當然的，層數(shù)越多，閃存能儲存的信息也就越多。但是把層數(shù)越做越多也有一個問題，那就是閃存不僅需要這里的“閃存片”，還需要外部電路來讀寫閃存中的內(nèi)容。多層結構勢必會導致電路的復雜、冗余；極大地降低閃存的讀寫速度和可靠性，這就是閃存制造的難點之一。

　　今年4月，長江儲存宣布他們研發(fā)成功了全球首款128層QLC存儲芯片，本次的技術突破，便是提出了上面這個問題的一種解決辦法：Xtacking技術。

　　對于Xtacking技術，可以參考下面這個概括性介紹視頻：

　?。ㄒ曨l來源：長江存儲官網(wǎng)）

　　總結來說，Xtacking技術就是把外圍電路（periphery）和存儲陣列（cell array）分成單獨的晶圓上分別制造，然后再把它們面對面的“釘”起來(tacking) 。這樣，就把外部電路與存儲陣列的關系由平面堆積變?yōu)榱丝v向堆積。以此省下了面積，簡化了電路，獲得了更高的存儲密度，同時讀寫速度也獲得了提升，這為長江存儲制作128層存儲提供了可能。

　　雖然說起來容易理解，但是這種新構型帶來的挑戰(zhàn)也是巨大的。更大的互聯(lián)電阻、電路之間的overlay匹配性、對接表面的縱向起伏、長期使用的可靠性等等問題都是科研人員需要面對的。這次量產(chǎn)成功，也說明了這些問題在研究人員手里已經(jīng)得到了解決，在如此短的時間里實現(xiàn)如此大的突破也說明了Xtacking構型的潛力，期待著Xtacking構型在下一代存儲器中的表現(xiàn)。

　　（四）128層三維閃存突破的意義

　　中國是半導體的最大消費國，消耗了全世界芯片產(chǎn)量的45%，但是與中國巨大的半導體消費量不相稱的是中國在半導體生產(chǎn)方面的疲軟。超過90%的芯片消耗依賴進口。

　　半導體產(chǎn)業(yè)的最大消費品有三類：logic，也就是中央處理器，我們所說的CPU；DRAM就是我們上文中提到的內(nèi)存；NAND，也就是閃存。在這三個領域，中國都面臨著行業(yè)起步晚，國產(chǎn)芯片投產(chǎn)落后的窘境。

　　在logic產(chǎn)業(yè)，inter,IBM等公司已經(jīng)將CPU的制程降低到了under 7nm的水平，而中國的國產(chǎn)CPU還在14nm的水平摸爬滾打。DRAM和NAND行業(yè)不僅是技術的比拼，更是成本搏殺的紅海，國產(chǎn)DRAM與NAND是真正的“做一片虧一片”。

　　而芯片對于國家安全的重要性不言而喻，如果中國沒有自主的芯片生產(chǎn)技術，芯片的安全性永遠得不到保障。發(fā)展本土芯片產(chǎn)業(yè)、突破西方對中國的科技封鎖，刻不容緩。

　　長江存儲本次實現(xiàn)量產(chǎn)的閃存芯片是為數(shù)不多的可以上市與西方半導體巨頭直接競爭的芯片之一，可以說是在半導體三大產(chǎn)業(yè)中，第一個“追平國外大廠”的產(chǎn)品，這對中國半導體產(chǎn)業(yè)的促進意義自不必多言。

　　同時，長江存儲近幾年的技術飛速發(fā)展，證明了Xtacking技術的前瞻性和成熟度，為以后中國閃存行業(yè)的發(fā)展指出了一條切實可行高效的道路，在國產(chǎn)閃存發(fā)展的戰(zhàn)略層面也具有很大的意義。

　　當然，中國閃存產(chǎn)業(yè)仍在奮起直追的路上，目前還不能過于自滿，但相信隨著以長江存儲為首的國產(chǎn)公司不斷發(fā)展進步，國產(chǎn)閃存在滿足國家的芯片安全需求的同時，也將在國際市場上占據(jù)一席之地。

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　　編輯| 史文慧