为何手机“内存”比电脑的要大得多?看完这篇就懂了

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  出品 | 网易新闻

  作者 | 之遥科普,清华大学专业科普团队

  随着科技的发展,手机、电脑等电子设备早已成为了我们生活中不可缺少的一部分。在购买手机或者电脑时,我们通常对一个参数十分关心,那就是“内存”。

  如果比较手机和电脑的“内存”大小,便会发现一个问题:手机的“内存”往往是128G、256G或者512G,而电脑的内存仅有8G或16G。

  为什么手机的内存比电脑大这么多呢?这就要提到我们今天要讲的主角——闪存。

  

  (一)闪存究竟是什么?

  实际上,我们对于手机的“内存”这一叫法是有错误的,我们所说的手机“内存”的真名就是闪存,而与电脑内存相应的,手机的真正内存是手机的“运行内存”。在电脑中和我们所谓的手机“内存”等价的参数应该是硬盘容量。

  内存和闪存是两种不同的储存器,内存为DRAM(Dynamic RandomAccess Memory),它只能把数据保存很短的时间,一旦断电了,其中的数据就会消失,因为这一特性的存在,内存被归为易失型储存器。而闪存和磁盘属于与之对应的非易失型储存器,这类储存器的特点便是断电时数据也不会丢失,可以用来进行数据的储存和运输。

  那磁盘和闪存又有什么差别呢?

  

  (磁盘 图源:博客园)

  从上图中我们可以看到,磁盘是在一个圆形盘面上储存数据,依靠上方的读写头进行读写,这就让磁盘有了不可弥补的缺点——体积大,读写速度慢。由于磁盘盘面旋转和读写头的机械结构是不能移除的(因为这个机械结构,磁盘也被称为机械硬盘),数据的读写也需要读写头移动到数据存储的区域。

  而闪存直接利用集成电路进行数据的读写与寻址,相比磁盘读写速度有了数量级上的提升,体积也大大减小(因为没有机械结构,不使用旋转的盘面,闪存也被称为固态硬盘)。

  

  (闪存 图源:IT168)

  而我们手机说的“内存”,就是上面右图的这种“闪存”。

  对于电脑,磁盘的大体积还可以容忍,但对于手机,磁盘的体积无疑是致命的。可以这样说,没有闪存,便没有如今发达的手机行业。闪存也因此成为与内存和CPU并列的半导体三大产业之一。

  (二)闪存中的信息是如何储存的?

  前文我们提到了闪存的重要性,在这里我为大家说明一下闪存储存数据的原理。我们知道,计算机的所有数据都是一个由0和1组成的串,闪存便是一个用电信号储存0,1串的阵列。

  

  (闪存的存储单元 图源:维基百科)

  闪存的结构与mosfet(金属氧化物半导体场效应管)相似,都由栅极和沟槽组成。与mosfet不同的是,闪存的存储单元有两个栅极:在上面的控制栅CG和下方的浮动栅FG,FG与下方沟槽由氧化物绝缘层隔离,这让进入FG中的电子无法逃离。因为这一特性,FG便能用来储存信息。在FG捕获了电子时,因为电子带负电,FG中电子的电场便会抵消上方控制栅的电场,使得沟槽中的电流减少,这就代表了比特位0。在FG处于初始状态时也就是没有捕获电子时,电流便会正常流经下方的沟槽,这就代表比特位1。

  上面我们提到,FG和周围是绝缘的,这也是它能保有电子的原因。但是这也带来了一个问题:我们该如何把电子送过绝缘层,存入FG中呢?

  能实现这一点,是量子力学的功劳。量子力学允许高能粒子越过势垒,这就是量子隧穿效应。把这个行为类比一下,在我们的常识中,我们就算跑的再快、跳的再高,也无法越过一个高墙;但是对于电子,只要它跑得足够快,量子力学就会给它穿墙而过的可能。

  绝缘层对于电子来说,就算那道墙。给电子电压,就算给电子加速,也就是说,只要我们给绝缘层的两端加上足够大的电压,就会有一部分电子能够越过绝缘层。控制电压的方向,就能控制FG中电子的流入流出,实现对闪存的写入。

  (三)闪存是是如何生产的?

  有了闪存的存储单元,我们便能很自然的把闪存排成一个阵列。

  

  (NAND闪存阵列的一个行 图源:维基百科)

  然后我们把这样一个又一个阵列摞起来,就算我们现在应用的闪存的结构了,也就是3D NAND 闪存。

  

  (3D NAND 横截面图 图源:https://www.semiconductor-digest.com)

  我们所说的闪存是多少层,便是闪存“片”摞列的层数。理所当然的,层数越多,闪存能储存的信息也就越多。但是把层数越做越多也有一个问题,那就是闪存不仅需要这里的“闪存片”,还需要外部电路来读写闪存中的内容。多层结构势必会导致电路的复杂、冗余;极大地降低闪存的读写速度和可靠性,这就是闪存制造的难点之一。

  今年4月,长江储存宣布他们研发成功了全球首款128层QLC存储芯片,本次的技术突破,便是提出了上面这个问题的一种解决办法:Xtacking技术。

  

  对于Xtacking技术,可以参考下面这个概括性介绍视频:

  

  (视频来源:长江存储官网)

  总结来说,Xtacking技术就是把外围电路(periphery)和存储阵列(cell array)分成单独的晶圆上分别制造,然后再把它们面对面的“钉”起来(tacking) 。这样,就把外部电路与存储阵列的关系由平面堆积变为了纵向堆积。以此省下了面积,简化了电路,获得了更高的存储密度,同时读写速度也获得了提升,这为长江存储制作128层存储提供了可能。

  虽然说起来容易理解,但是这种新构型带来的挑战也是巨大的。更大的互联电阻、电路之间的overlay匹配性、对接表面的纵向起伏、长期使用的可靠性等等问题都是科研人员需要面对的。这次量产成功,也说明了这些问题在研究人员手里已经得到了解决,在如此短的时间里实现如此大的突破也说明了Xtacking构型的潜力,期待着Xtacking构型在下一代存储器中的表现。

  (四)128层三维闪存突破的意义

  中国是半导体的最大消费国,消耗了全世界芯片产量的45%,但是与中国巨大的半导体消费量不相称的是中国在半导体生产方面的疲软。超过90%的芯片消耗依赖进口。

  半导体产业的最大消费品有三类:logic,也就是中央处理器,我们所说的CPU;DRAM就是我们上文中提到的内存;NAND,也就是闪存。在这三个领域,中国都面临着行业起步晚,国产芯片投产落后的窘境。

  在logic产业,inter,IBM等公司已经将CPU的制程降低到了under 7nm的水平,而中国的国产CPU还在14nm的水平摸爬滚打。DRAM和NAND行业不仅是技术的比拼,更是成本搏杀的红海,国产DRAM与NAND是真正的“做一片亏一片”。

  而芯片对于国家安全的重要性不言而喻,如果中国没有自主的芯片生产技术,芯片的安全性永远得不到保障。发展本土芯片产业、突破西方对中国的科技封锁,刻不容缓。

  长江存储本次实现量产的闪存芯片是为数不多的可以上市与西方半导体巨头直接竞争的芯片之一,可以说是在半导体三大产业中,第一个“追平国外大厂”的产品,这对中国半导体产业的促进意义自不必多言。

  同时,长江存储近几年的技术飞速发展,证明了Xtacking技术的前瞻性和成熟度,为以后中国闪存行业的发展指出了一条切实可行高效的道路,在国产闪存发展的战略层面也具有很大的意义。

  当然,中国闪存产业仍在奋起直追的路上,目前还不能过于自满,但相信随着以长江存储为首的国产公司不断发展进步,国产闪存在满足国家的芯片安全需求的同时,也将在国际市场上占据一席之地。

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  编辑| 史文慧

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