手机支持高清视频硬解码已经不是问题，但是手机的ROM对于高清电影来说实在是太小了。的确，受限于闪存颗粒技术瓶颈以及手机本身的体积，手机闪存容量升级实在是太慢了。不过，三星日前宣布，他们已经量产一种叫“V-NAND（vertical NAND）”的闪存芯片，可以让闪存芯片的容量倍增，手机ROM达到256GB也不再是梦（传说iPhone5S就已经会有128GB版）。

V-NAND背后的秘密

1、CTF架构，让闪存芯片性能更高、寿命更长

    目前闪存芯片采用的是已经有40多年历史的浮栅极结构，其原理是将电荷储存于浮栅极MOSFET，通过存储单元中导体的充放电来表示0和1。浮栅极就相当于一个导体，邻间单元格的电荷极容易相互干扰。晶体管的瑕疵会导致栅极与沟道短路，这会消耗栅极中的电荷，也就是说每次写入数据都要消耗一次栅极寿命，一旦栅极中的电荷没了，cell单元就相当于“game Over”了，不能再存储数据。同时这种架构在今天看来有一个致命缺点：制程越先进，相邻存储单元格的电荷相互干扰也就越严重，寿命也更短。既然浮栅极架构存在这样的缺点，更先进的CTF架构诞生了。

   V-NAND最大的改进就是弃用传统的浮栅极MOSFET设计，改用电荷捕获闪存（charge trap flash，简称CTF）设计。CTF技术与传统浮栅极技术的区别在于它使用一层约100埃（Angstrom）的极薄氮化硅薄膜来储存电子（而非超过1000埃的传统浮动闸极储存层），从两层氧化层间的绝缘氮化硅层就可以捕获电荷。在CTF架构中，数据被临时存放在闪存非传导层的一个由氮化硅组成的“单元格”中，实现了更高的稳定性和对储存流更好的控制。怎么理解呢？简单地说：既然浮栅极由于绝缘导致相邻单元格容易互相干扰，那么就采用隔离措施——用绝缘的氮化硅薄膜充当电子的隔离层，将电子“关禁闭”而防止互相干扰，等需要读取时再“解禁”。

    这种隔离方法最大的优点是可以更大程度地降低存储单元格间电荷干扰，从而大大提升芯片的写入速度、增加芯片的P/E擦写次数：目前的19/20nm工艺MLC闪存的擦写次数普遍是3000次，三星的V-NAND闪存可达35000次、足足提升了十倍，而写入速度可以提高两倍。

    与使用传统浮动栅结构的组件相比，CTF技术另一个优点就是结构更为简单。CTF架构仅由控制栅组成， CTF控制栅的高度只有传统浮栅极控制栅高度的1/5。这是什么一个概念呢？就是每个CTF cell单元的个头比传统的传统浮栅极cell单元“矮”，可大大提升芯片的存储密度。值得注意的是，为了最大限度地提高了存储单元的密度，三星在V-NAND中的 CTF结构从传统的单层CTF结构改良升级为3D立体结构，长方形的控制栅被改为像水管一样中空的圆柱体，因而可以最大化的利用空间——在容积有限的空间里，圆柱体占有的空间要少于长方立柱。

2、垂直堆叠制程技术，容量倍增的秘密

　　除了CTF外，V-NAND背后还有另一个重要的秘技——就是垂直堆叠制程技术。何谓垂直堆叠制程技术？目前ARM处理器就采用了这项技术来解决处理器芯片面积过大的问题。　　  

    在垂直堆叠制程技术中，V-NAND闪存芯片内部就像建高楼一样，由一层层存储单元格（每一个存储单元格其实可以看成一个小型的、没有进行封装的闪存芯片）堆叠起来，最终组成一个大容量的闪存“芯片”。当然，芯片内部的单元格并不是简单地进行堆叠，这里面包含着从高层向低层穿孔以连接电极的蚀刻技术、将存储单元垂直围绕在各层的门极结构技术等一系列独特并有突破性的工艺技术。这里的关键就是如何将各存储单元格串连起来，首先利用激光或蚀刻方式在硅片上钻出小孔，这些蚀刻孔之后将由存储介质堆栈和硅通道填充，最终成为一种垂直 CTF NAND 结构。（三星垂直 CTF NAND 结构采用的是类似于TSV硅穿孔技术）。然而，实现垂直堆叠的过程中也有一些技术上的挑战，例如，传输干扰。此外，通过延长每个垂直 NAND阵列来增加存储密度的方法，不仅增加了传输干扰，还降低了最糟情况下的串电流。的确，密度每增加一倍，最糟情况下的串电流就会减半。由于这些装置的信道是多晶硅，因此，随着密度的增加，最糟情况下的串电流可能会迅速降到不可读取的低值。不过，三星显然已经解决了这些问题。

    根据三星的说明，利用垂直堆叠制程技术，V-NAND闪存芯片内部可以垂直堆栈多达 24 个存储单元层，目前采用该技术的闪存单芯片容量达到了128Gb（16GB）的水准，而目前主流19/20nm工艺的单芯片容量仅为64Gb，如果用传统工艺制造128Gb核心的NAND闪存，那么需要15nm工艺。垂直堆叠方案无疑要比绞尽脑汁将晶体管缩小然后往芯片里面塞更多晶体管要轻松得多。而且使用垂直互连技术取代传统的二维互连技术，可以缩短组件之线路连接距离，进而降低寄生电容和耗电量，大大提升了芯片的提高电气性能。可以说，垂直堆叠制程技术基本上为闪存芯片的容量大跃进排除了障碍。业界预计，采用3D堆叠及CTF或类似技术，在不久的将来，单芯片容量可轻松达到128GB。

　　不过，目前这种堆叠闪存单元的成本优势并不是特别明显，工艺复杂性的加深也可能影响产量，所以会降低成本优势。此外，高纵横比堆积的单元格结构也造成机构制造上的不稳定性。因此，未来V-NAND存储器将首先占领一些高密度闪存细分市场，比如企业级存储领域，再逐渐普及到大众使用的设备——如智能手机上。 

容量翻倍，先从SSD入手

    也许你还以为V-NAND技术仍处于概念化阶段，其实目前三星V-NAND固态硬盘已于8月初量产。

　　目前三星V-NAND固态硬盘提供960GB及480GB两种版本容量。960GB版本固态硬盘利用64颗多层单元（MLC） V-NAND闪存，单芯片容量为128Gb（16GB）,可支持三万五千次的抹写次数限制, 持续和随机写入速度提高20%、功耗降低超过40%（与MLC对比），搭载SATA 6Gb/s主控芯片。不过令人感到遗憾的是，目前采用新技术的SSD固态硬盘只有面向企业推出的480GB和960GB两种版本的产品。也就是说，凭借V-NAND技术所带来的大容量及高可靠性来说正是非常适合高等级企业用户，对此新产品的推出已经具有了非常大的意义。

　　其实广大普通消费者无需过分失望，三星公司官方已经承诺表示未来一定会将拥有3D垂直NAND Flash技术的SSD固态硬盘产品推向普通消费级市场。事实上，IMFT、Hynix及东芝等其他NAND厂商也有各自的垂直闪存计划，但是量产时间三星已经走在了其他公司前列，快人一步就是竞争优势。比如日本东芝公司在计划于本会计年度结束前量产其3D NAND闪存——BiCS，并将在2014年3月前上市。

    在SSD大规模采用V-NAND技术之后，智能手机也不会太远了。到时候市场中的旗舰机标配128GB ROM将是很寻常的事，而高端版达到256GB和512GB也不是什么不可能的事，那时你要往手机里拷一部4K高清电影也是很容易实现的事了。