3D NAND存储助力智能手机应用进入新时代

　　前言

　　全球的智能手机用户一直在不断寻求更好的移动体验。他们不仅下载比以往任何时候都更多的应用，而且还使用更为复杂的应用来支持摄影、4K Ultra视频的播放和录制、电影流式播放、导航、图像采集以及虚拟现实(VR)/增强现实(AR)等方面更大的技术进步。

　　在某些地区，智能手机是唯一与外界联系的设备，因此用户对它们的依赖程度非常高，已经习惯于让手机不间断地运行并管理他们的日常生活。中国拥有全球最大智能手机用户群，这些用户经常使用高级在线支付服务(如Alipay(支付宝)和Tenpay(财付通))来支付账单和管理财务，使用个人通信服务(如微信)来处理语音、视频、文字和群发消息，甚至会利用手机叫出租车(如滴滴出行)，此类服务已经覆盖四百多座城市的四亿用户。

　　预计在未来，众多智能手机应用将产生难以置信的大量数据。消费者利用这些下一代数据密集型应用的能力将要求智能手机具有极高响应性的系统级性能以及支持更大文件所必需的高容量;同时，这种能力还依赖于智能手机每天产生和采集到的海量数据。

　　2D NAND 与 3D NAND 对比概述

　　智能手机继续在使用嵌入式闪存来存储和操作应用数据和用户数据，因为其存储单元驻留在适合手机设备有限空间的小型半导体中。几十年来，闪存一直基于二维平面的NAND技术，其将存储单元水平地布置在物理空间中，因此受到半导体芯片的“x”和“y”边界的限制。这项技术已经达到了其实际的规模限制，因此，在每一代产品中，提供越来越大容量、越来越高性能的存储已经变得日益困难。所以3D NAND技术应需而生。它采用创新的工艺架构，能够带来比2D平面NAND更大的容量、更好的性能和更高的可靠性。

　　3D NAND是闪存领域的一个重大进步，它有望释放巨大的存储容量增长潜力。其布置在硅底层上的存储单元能够被移动到第三维空间，也就是在各个层面上进行垂直堆叠，并且通过传播电荷的导线进行连接。通过将存储单元放置在多个层面上，就像摩天大楼的各个楼层一样，这种垂直堆叠方式能够在相同的物理空间中实现更大的存储密度，而不受芯片边界的限制，并且比2D平面NAND更可靠(稍后讨论)。其他讨论要点包括行业优势以及3D NAND如何在系统层次上提高应用性能，从而有助于实现新一波智能手机应用。

　　智能手机用户群持续扩大

　　智能手机已经成为消费者使用最频繁的移动设备，对用户也是最重要最关键的设备。用户不仅通过语音、文字和互联网与外界保持联系，还要通过手机进行娱乐、计算、导航、交易、捕捉珍贵时刻等等。截至2016年，全球智能手机用户数量超过20亿，预计到2020年将增长至将近30亿。

　　每天都产生更多智能手机用户，而且人们也对其设备期望更多，这明显表现在过去几年中显著提高的应用下载量(图1)。

　　•在美国，消费者的移动应用下载量在2017年(373亿)预计将比2016年(292亿)提高约28%，而且到2021年底将增加100%(达到747亿)。

　　•在亚太地区(包括拥有最大用户群的中国)，消费者的移动应用下载量在2017年(1177亿)预计将比2016年(862亿)提高约37%，而且到2021年底将增加69%(达到1989亿)。

　　随着智能手机应用的使用量继续大幅增加，手机应用下载的实际大小也在不断提高 -- 目前，移动应用的平均大小在iOS系统中大约为38MB，在Android系统中大约为15MB。

　　目前应用较为流行的智能手机App中，照片及视频采集应用的使用量不断上升 -- 而且目前所采集的内容也明显更加先进和复杂。1小时长度的720p高清(HD)视频，在每秒30帧的情况下，需要大约3.5GB的存储空间。而一小时1080p的高清视频，在每秒30帧的情况下，需要大约7.6GB的存储空间，而在每秒60帧的情况下需要大约11.7GB的存储空间。一小时4K Ultra视频需要大约21.9GB的存储空间。此外，2016年第四季度全球销售的智能手机中，将近44%能够录制4K分辨率的视频，而慢动作视频需要的存储容量通常比标准视频高八倍。

　　为了支持更高的存储需求，并充分利用规模更大的下一代应用，智能手机将需要极为灵敏的系统级(芯片组和存储器)性能和更大的容量。过去的16GB和32GB容量的智能手机现在已经被认为不足，因为他们性能低、容量小，无法支持当今活跃的移动生活方式 – 这为3D NAND闪存铺平了道路。

　　为消费者带来的好处

　　3D NAND以更低的每比特成本解决了与2D平面NAND缩放相关的挑战，并且提供了更大的容量、更好的性能和更高的可靠性。用于开发3D NAND的制造工艺使得我们能够采用更小尺寸的芯片，这样便可以将更大的电池安装到相同的物理空间中，从而提供更长的设备可用时间。

　　3D NAND架构中每个存储单元之间的空间比传统的2D NAND架构更宽松，从而支持存储设备更快地写入(或传输)数据。更宽松的单元空间还能够减少同一个层面上每个相邻3D NAND单元之间的噪声和“单元对单元”干扰，从而带来比2D平面NAND架构更高的存储数据完整性。

　　存储级性能的提高能够改善智能手机应用的性能，并提供更强大的功能，例如更迅速的多次拍摄、更好的4K Ultra视频播放或者更快的文件传输，这能够支持新一轮的智能手机应用。采用3D NAND的存储设备到2017年底预计占NAND总消费量的大约百分之三十，到2019年底将占约百分之六十六，并将在移动设备中大量使用。

　　支持下一代智能手机应用

　　3D NAND在性能、存储密度、可扩展性和可靠性方面均有重大改进，非常适合目前正在开发的下一代智能手机应用。许多独特而有趣的应用正在开发之中，这将使未来智能手机的使用更加令人兴奋、更具有吸引力，这些都会推动对3D NAND的需求，以便存储这些更大的文件以及它们所产生的数据量。其中包括：

　　**• 全息显示 **-- 支持在智能手机视频通话中使用3D全息图来传达肢体语言 • 人工智能-- 使智能手机能够了解用户的个人偏好、兴趣、日程等等，从而不仅可以根据个性化信息提供移动设备体验，而且还可以不断积累知识、模仿人的行为、理解真实场景• 无人机仿真-- 通过模仿无人机的功能，可以将丢失的智能手机引导回合法的所有者手中• 高端游戏-- 使智能手机转变成与PC类似的高端游戏设备• 热成像-- 把智能手机转变为夜间模式，也就是与军事人员和户外运动爱好者所使用的设备相类似的热成像光学设备• 实时翻译-- 使智能手机能够对关键语言进行实时翻译，从而帮助存在语言障碍时进行交流，特别是有助于那些处于险境的旅行者• 360度视频-- 使配备了360度摄像头的智能手机能够创建出同时记录各个方向景象的视频，在此过程中，用户可以控制每个景象，从而能够创建出动作片段和基本的类似VR(虚拟现实)的体验

　　小结

　　3D NAND解决了与2D平面NAND缩放相关的挑战 -- 以更低的每比特成本(在相同的物理空间上)实现了更高的密度，同时提供更大的容量、更好的性能和更高的可靠性。当嵌入到智能手机等移动设备中时，能够大幅度改善内存级存储，并挖掘存储容量方面的巨大增长潜力，而这将推动智能手机应用新时代的到来。

　　关于作者：

　　Christopher Bergey，西部数据公司嵌入式和集成解决方案副总裁。负责西部数据公司嵌入式存储解决方案在移动和互联市场领域的战略开发和推进，包括智能手机和平板电脑、汽车、工业、互联家居设备以及其他互联产品、以及“物联网”环境。在加入西部数据公司之前，Bergey先生曾在Luxtera、Broadcom、Multilink 科技公司以及AMD担任高级管理和市场职务。他获得了马里兰大学的工商管理硕士学位以及Drexel大学的电子与计算机工程学士学位