QLC大勢所趨、PLC呼之欲出：英特爾NAND快閃記憶體為何這麼優秀？

2020年10月，英特爾宣佈以90億美元的價格，將旗下NAND快閃記憶體業務出售給SK海力士，震驚業界。

但事實上，與其說是出售，不如說換個方式獨立運營，英特爾並未放棄對於NAND快閃記憶體的投入，仍然持續推進相關產品和技術，去年12月就全球首發了144層堆疊的QLC，以及多款相關產品，涉及消費級、資料中心。

根據規劃，英特爾將在未來幾年內，逐步將NAND快閃記憶體、SSD固態盤的設計、製造、運營轉移到SK海力士旗下，其推動NAND技術創新和對全球客戶的承諾不會改變。

當然，英特爾NAND快閃記憶體不會面面俱到，主要還是關注資料中心領域，兼顧消費級客戶端。

為了讓大家更深入地瞭解英特爾NAND快閃記憶體技術優勢，堅定對其前景的信心，英特爾近日也特別分享了一些深度資料。

這張「金字塔」結構圖大家應該都很熟悉了，代表著英特爾對於儲存體系的理解，從塔尖到塔底，容量越來越大，延遲越來越高，相鄰級別的容量、效能差都在10倍左右，適合不同冷熱等級的儲存需求。

其中，NAND SSD固態儲存，位於傳統機械硬碟、磁帶冷儲存之上，傲騰SSD之下，是一種高效率的儲存方式。

順帶一提，英特爾傲騰業務並沒有出售。

作為快閃記憶體技術的領導者，英特爾在快閃記憶體技術研發上已有30多年的歷史，尤其是近幾年在QLC上持續發力，是全球第一家出貨資料中心、消費級QLC PCIe SSD的企業。

20世紀80年代中期，英特爾就開始進軍NOR快閃記憶體，最初的製造工藝還是1.5微米，2005年開始轉入應用更廣泛的NAND快閃記憶體，製造工藝起步於65nm，2D時代如今已達1xnm級別，SLC、MLC、TLC、QLC一路走下來，堆疊層數也從32層一直到了144層。

QLC之後就是PLC，每個單元可以儲存5個位元的資料，共有多達32種狀態，如何保持資料穩定性、永續性面臨更大的挑戰。在這方面英特爾一直是非常積極的，極為看好其前景，但何時量產應用還沒有明確的時間表。

英特爾3D NAND技術與產品是為高密度、高可靠性而設計的，其中高密度來自不斷增加的3D堆疊層數和陣列下CMOS(CuA)結構設計，高可靠性來自於浮柵單元設計。

先說高密度。英特爾快閃記憶體一直走浮動柵極+陣列下CMOS結構的路線，相比於友商的替換柵極結構，或者說電荷擷取快閃記憶體結構(CTF)，擁有更緊密、對稱的堆棧層，沒有額外單元開銷。

從對比結構圖可以看到，英特爾浮動柵極的Cell單元是均衡的，基本保持一致，更加緊湊，同時單元尺寸也更小，可以堆疊更多層數，而替換柵極會浪費一些空間，影響Cell單元的堆疊效率、密度。

陣列下CMOS，顧名思義就是將CMOS和周邊控制電路放在Cell單元陣列的下方，同樣有利於提高空間利用效率，當然堆疊層數增多之後，CMOS、Cell之間的聯絡控制難度也會有所提高。

兩項設計結合，英特爾3D NAND的面儲存密度可以高出最多10％，繼而提高製造效率，每塊晶圓可以切割出更多容量，成本也能得到更好控制。

再說高可靠性。英特爾3D NAND快閃記憶體採用了成熟的垂直浮動柵極單元技術。不同的Cell單元之間是分離的，通過浮動柵極技術儲存電子路徑，好處就是單元與單元的干擾很小，對於漏電、資料保持也更有優勢。

每個單元的電子數量，相比2015年的2D MLC NAND增加了6倍左右，從而大大提高控制力，而龐大的電子數量可以更好地防禦漏電，減輕長時間後的資料丟失問題。

同時，英特爾利用離散電荷儲存節點，具備良好的程式設計/擦除閾值電壓視窗，可以有效保障儲存單元之間穩定的電荷隔離，以及完整的資料保留。

另外，英特爾幾十年來對於電子物理學有著深厚的研究和積累，已經非常熟練地掌握隧道氧化層工藝。

英特爾強調，半導體工藝中，最複雜的一環其實是刻蝕，因為對著快閃記憶體單元堆疊層數的增加、電子數量的增加，多層刻蝕就像挖一口深井，必須確保垂直下去，所有單元的一致性相當高，否則會造成不同單元效能差別明顯，整體快閃記憶體的密度、可靠性也就不復存在。

打個比方，這種操作就像是在埃菲爾鐵塔上扔下一顆實心球，落地後的偏差程度必須保持在釐米級，目前只有極少幾家可以做到。

SLC、MLC、TLC、QLC等快閃記憶體類型大家都很熟悉了，分別對應一個單元1個、2個、3個、4個位元，會分別形成2種、4種、8種、16種狀態，呈指數級增長。

這種變化會影響一個非常關鍵的指標，那就是讀取視窗，而隨著快閃記憶體單元位元、狀態的增加，讀取視窗越來越小，導致讀取準確性難度加大，一不小心就會分不清到底是1還是0，結果就反應在可靠性上。

看右側，在資料保留效能方面，對比FG浮動柵極、CTF電荷捕獲兩種結構，前者優勢更加明顯，從開始狀態到使用5年之後，電荷損失程度都更小，甚至是5年之後的電荷保留程度，都堪比CTF的最初狀態。

接下來的PLC快閃記憶體，每個單元要儲存5個位元，對應多達32狀態，讀取視窗進一步收窄，因此電荷損失的控制力度就更加至關重要，這也是英特爾快閃記憶體架構的優勢所在。

當然，時至今日很多人依然對QLC有很大的偏見，認為其壽命、可靠性過差，根本不堪大用。這個問題需要理性看待，就像當年大家都瞧不起TLC，現在則成了絕對主流。

由於天然屬性的緣故，QLC的壽命、可靠性指標確實是不如TLC，但這並不意味著它一無是處。

事實上，QLC並非要徹底取代TLC，至少短期內不是，它更適合讀取密集型應用，適合大區塊資料、順序資料操作，比如AI人工智慧、HPC高效能運算、雲端儲存、大資料等等。

而在寫入密集型、讀寫混合型工作負載中，TLC自然是更佳選擇，二者是一種相輔相成的關係。

另一方面，QLC快閃記憶體的儲存密度、容量更大，可以大大節省儲存空間，比如使用英特爾QLC快閃記憶體、30.72TB最大容量的D5-P5316 SSD，在1U伺服器內就可以輕鬆做到1PB的總容量，而如果使用傳統16TB硬碟，則需要三個2U機架空間。

在全力推進QLC的同時，英特爾也會持續堅持TLC，第三季度就會發布新的144層堆疊TLC SSD，企業級的D3-S4520、D3-S4620。

總的來說，英特爾雖然將NAND快閃記憶體業務賣給了SK海力士，但這只是交易層面的，不會影響技術、產品層面。

未來，新公司承諾將持續在NAND快閃記憶體業務上大力投入，保持領先地位，其快閃記憶體產品的使用者、客戶也不必有任何憂慮。這一點，從近半年來不斷分享快閃記憶體技術、持續釋出快閃記憶體產品，也可見一斑。

基於英特爾30多年來在快閃記憶體上的投入和積累，同時聯合SK海力士高超的快閃記憶體技術實力，強強聯合的前景也更值得期待。

至於快閃記憶體類型之爭，其實也可以更淡然一些。SLC早已成為江湖傳說，MLC只偏安在工業等特殊領域存在，TLC是當下絕對的主流，QLC的地位會越來越高，PLC也是呼之欲出。

結構屬性決定了快閃記憶體類型演化的同時，可靠性、壽命會有相對削弱，但一方面容量越來越大、單位成本越來越低，這是必然的方向，另一方面輔以各種架構、技術優化，別說滿足日常消費級需求，用在資料中心裡也不是什麼事兒(當然也要看具體的工作負載，非要讓QLC大規模隨機寫入自然是強人所難)。