为什么英特尔/美光的3D闪存还在用浮栅型结构？

虽然英特尔和美光已经解除在闪存领域的合作了，不过到96层3D NAND为止它们的技术还是共同研发的。所以今天介绍的内容同时包括英特尔和美光，或者说是它们二者位于犹他州利希市的合资工厂IMFT所采用的闪存技术。

Floating Gate VS Charge Trap

长久以来Floating Gate浮栅式结构一直是平面NAND闪存的共同选择。闪存使用浮栅层中的电子来记录和表达数据。在最上方的控制栅极施加正电压，电子就通过隧道氧化层进入Floating Gate浮栅，完成写入操作。在Substrate衬底施加正电压，可以将电子从浮栅层吸引出来，完成擦除操作。随着擦除次数的增多，隧道氧化层老化，存储在浮栅中的电子就容易流失而导致数据出错，不断磨损的最终的结果就是闪存单元损坏。

Charge Trap电荷捕获型结构的提出略早于3D NAND闪存，并在3D闪存时代成为主流的选择，包括三星、东芝、SK Hynix在内的闪存厂商普遍选择了Charge Trap，只剩英特尔/美光在3D NAND中坚持Floating Gate不动摇。

在2013年的闪存峰会上，三星介绍V-NAND时，用比喻的方式解读了Floating Gate浮栅型与Charge Trap电荷捕获型的区别：前者像水一样可让电子在其中自由移动，后者像乳酪一样捕获电子，使其难以动弹。显然，Charge Trap电荷捕获型结构有利于减少隧道氧化层变薄和老化对擦写寿命产生的影响，简而言之，这项技术可以有效提升闪存的耐久度。

不以Floating Gate为耻：

美光在官网上非常自豪的宣布，自己是首个将floating gate浮栅结构应用到3D闪存当中的。换句话说，美光不认为自己的选择就比三星、东芝和SK Hynix全都采用的Charge Trap电荷捕获型结构落后。

Charge Trap电荷捕获型结构有很多优势，比如制造工艺更简单、存储单元间距可以做的更小、隧道氧化层老化磨损速度降低、更节能。而凡事都有两面性，英特尔/美光选择继续使用的Floating Gate浮栅型也并非一无是处，比如在读取干扰、数据保持期上，Floating Gate理论上比Charge Trap表现的更好。

简单来说，采用Charge Trap有助于更高的闪存写入耐久度，Floating Gate则有利于实现更长的断电数据保持时间。当然，这里的比较是基于理论研究的成果，并不是具体某个闪存型号的直接对比结果。

浮栅结构的英特尔/美光3D NAND并不弱鸡：

使用传统Floating Gate浮栅式结构的英特尔/美光3D NAND闪存也有很多创新之处。比如CuA（CMOS Under the Array）设计将超过75%的逻辑电路（包括地址解码和页面缓冲器等）放置在闪存之下，提高了存储密度，有助于获得成本优势。

当代闪存的Page大小已经达到16KB，而操作系统主要使用4KB随机读写。为了提升4K随机读取效能，英特尔/美光在3D NAND闪存当中引入了Snap Read功能。在Snap Read帮助下，第二代64层堆叠3D闪存中典型Page页读取延迟从78微秒降低到49微秒。

Snap Read在第一、第二和未来第三代3D NAND闪存中具有不同程度的支持。

英特尔/美光将16KB的Page分为3个8K+区段：对应0-9295字节、4648-13943字节和9296-18591字节。Snap Read启用时，读取命令指定的字节地址决定要读取的8K+区段。定址前4KB+部分（包括4KB和Spare area，下同）时激活第一个8KB+部分读取，定址第二个4KB+部分激活中间的8KB+部分读取，定址第三和第四个4KB+部分激活末尾的8KB+部分读取。

Snap Read通过读取部分页面，能够让4K读取速度更快一些，同时还能降低功耗。对于固态硬盘来说，Snap Read的直接影响就是4K单线程读取性能更强。下图是PHISON群联下一代E12主控搭配东芝和美光3D闪存时的CrystalDiskMark成绩：

众所周知，由于SLC Cache的原因，CrystalDiskMark测出的4K读取性能都是基于SLC Cache的结果。受益于Snap Read的影响，美光B16A（第二代64层堆叠3D NAND，单Die 256Gb容量）的4K读取延迟更低，在同样的主控下单线程4K读取性能取得了显著的领先优势（67.73MB/s Vs 56.69MB/s）。

当然，随着英特尔和美光双方在闪存研发上分道扬镳，业界也不确定之后会不会有谁最终转向更大众的Charge Trap电荷捕获型结构。