Flash與SSD產業的挑戰─可靠度與總成本

華騰國際科技產品經理部總監曾德彰

當跨入10nm製程以下，NAND Flash即將面臨到嚴苛的ECC即時修正位元的暴增、使用壽命的減短，讀取速度等會影響到品質、耐受度的嚴苛考驗。記憶體╱固態硬碟廠商以可靠度與總成本(Total Cost of Ownership；TCO)為設計理念，掌握快閃記憶體與其他非揮發性記憶體技術進程，並搭配自家專屬的防護技術，使快閃記憶卡、隨身碟與SSD等產品避免因操作過程突然斷電所造成的資料遺失，延長使用壽命並提昇品質…

快閃記憶體即將面臨物理製程的極限

華騰國際科技(ATP)產品經理部總監曾德彰(Alex Tseng)指出，目前NAND Flash已經發展到20nm與19nm，2013年即將看到15nm的樣品，他大膽假設在10nm之後即將面臨製程上的挑戰。以64word-lines為一個Cell，32nm製程採用單價十億元的浸潤式機台的多重曝光顯影技術(Multiple Patterning)，2D-NAND(MLC)做到2,564nm²，3D(SLC 4Layers)則是1,475nm²，3D(MLC 4Layers)為867nm²；3D(MLC 8Layers)做到433.5nm²；25nm製程使用Airgap(Spacer)降低干擾的技術，2D-NAND(MLC)可做到1,775nm²，3D(SLC四層)做到1,202nm²，3D(MLC四層)作到726nm²，3D(MLC八層)做到323nm²。

20nm製程採High-K Metal Gate(High-K金屬閘極)技術，2D-NAND(MLC)可做到1,434nm²，3D(四層SLC)為940nm²，3D(四層MLC)為584nm²，3D(八層MLC)做到292nm²；15nm製程採EUV或其他技術，2D-NAND(MLC)做到965nm²，3D(四層SLC)為764nm²，3D(四層MLC)為492nm²，3D(八層MLC)為246nm²。

各NAND Flash大廠即將於2013？2014年陸續推出採3D垂直或堆疊技術的快閃記憶體，可以在32nm製程就將成本下降到以往需15nm製程才能達到的水準。

目前三星主要有TCAT與VG-NAND等技術，東芝有P-BiCS( Pipeline Bit Cost Scalable Solution)技術，美光有DG TFT(Dual gate TFT)技術，海力士則是S-FG(Surrounding FG)技術；台灣旺宏(Macronix)也在2009年發表BESONOS技術，交大R. Shirota教授發表相容2D製程的3D TFT SONOS技術等。ATP與這些快閃記憶體業者有長期的合作，掌握技術趨勢並提供穩定且成本有效下降的產品。

至於其他像是磁阻記憶體(ReRAM)、強鐵記憶體(FeRAM)，相位變化記憶體(PCRAM)等非揮發性記憶體，Alex Tseng認為除非它們的製造成本能快速下降到每1GB等於或小於1美元，不然要取代NAND Flash的機會非常低。以電腦記憶體金字塔結構來看，最頂端SRAM做為CPU Cache，第2層則是DRAM做為系統運作快取(System Cache)；金字塔底層 NAND Flash/HDD做為主流儲存裝置，前述的MRAM/PC RAM，在2015年前頂多可做為NVM Cache等利基型應用。

快閃記憶體可靠性對控制晶片的挑戰

從NAND Flash耐受度(Endurance)與所需ECC修正位元數的趨勢來看，過去SLC僅使用1bit ECC，P/E Cycles為100K，到了2xnm就降到60K，MLC則隨著製程的演進，Endurance呈現巨幅下降，ECC修正位元數呈現指數曲線的暴增；從5xnm製程的MLC的P/E Cycles有10K、需4bit ECC，到3xnm製程的MLC其P/E Cycles已下降到5K，且需要 8bit ECC；2xnm製程的MLC則降為3K、ECC修正位元提高到15？24bit。而TLC記憶體的P/E Cycles更降到1K以下，需72bit甚至上百位元的ECC。因此Flash控制晶片的編碼技術，將從BCH編碼技術，逐漸轉向LDPC(Low Density Parity Check)。

從去年蘋果併購以色列Anobit公司，到今年希捷與DensBits公司策略聯盟，代表大廠亟欲掌控快閃記憶體訊號處理技術。以讀寫區間示意圖來看，SLC只有一個Program區間及Erase區間，Endurance與Retention Margin較大；在同樣的電壓準位下，MLC區分成三個Program區間及Erase區間，Endurance與Retention Margin變小也變窄；當跨入TLC，同樣的電壓準位被區分成七個 Program區間及Erase區間，每個Program區間已經沒有margin使得read retry成為必須，Endurance與Retention Margin也變得最小。

另外NAND Flash有Read Disturb(讀取擾動)的效應。從一個NAND Flash陣列電路圖可看出，即便只有讀取某一個Page，在跟該讀取Page處於同一條Vdd電壓連接的相鄰Page都會被干擾到，估計MLC累積100K次相鄰讀取，或SLC累積1KK次相鄰讀取之後，會開始產生無法ECC修正的錯誤。

因此ATP與控制晶片合作，提供了三？五年後依然維持穩定的唯讀資料應用。一個NAND Flash儲存裝置，會有LBA mapping table，以及區分成較常反覆讀寫的Hot data Zone，以及較少讀寫的Cold data Zone，其中hot data zone有一小部份區域是存放著開機的OS/Boot-up Sector，控制晶片隨時偵測每個區塊的健康狀況，當累積讀取到了一定次數，會將OS/Boot-up Sector從搬移到Cold data Zone，以避免累積超讀取擾動的上限次數，造成ECC無法修正讀取錯誤，進而延長該裝置的使用壽命。

協助客戶依照其應用、壽命與最低TCO去規劃其Flash產品

ATP會依照客戶對產品品質與耐受度的需要，考量故障返修率，規劃出長期總持有成本(TCO)最低的加值應用方案。假使客戶在產品評估階段假設花10美元，此階段選擇正確的記憶體組件相當重要，因為接下來萬一該組件停產需要變更時，此時以精要花費達到50美元；而當該產品如果評估的壽命未到時就被要求替換，往往得花費100美元，最可怕的就是因品質以及電源因素造成的失效，此時返修成本可能高到500美元，從一開始沒選擇正確的產品組件，到最後增加的總持有成本高達2,000美元或更高。

要如何確保產品生命週期與品質，ATP從BOM表控制，到長期供應相同製程、同等級endurance/retention的組件，與記憶體、控制晶片供應商長期緊密的夥伴關係，長期提供可選擇的不同來源的組件，以因應一級大廠客戶所需要的三？五年長期供應合約上的品質需求。

曾德彰同時提到，對於SSD耐受度的評估，除了主要因素取決於選用MLC(3K)或SLC(60~100K)記憶體之外，另外像是WAI、Data Pattern與SSD Cache大小也是關鍵因素。像是客戶的Data Pattern是隨機雜亂的寫1KB，其對Flash的耐受度反而比循序寫16KB到各Block的耐受度還低，ATP以總寫入位元組數(Total Byte Written ,TBW)為評估，以發揮每一個區塊100%的儲存效益，進而協助客戶選擇正確的產品，以符合其成本、預算下對實際應用的耐受度需求。

Flash記憶體所儲存的電荷位元電壓值，會隨時間及周遭溫度影響而逐漸偏移降低，當降低於一個臨界值就會出現判讀錯誤的情況。而Flash的P/E Cycles與壽命，會隨著其容量被佔用的百分比的增加而逐步降低，例如MLC Flash僅用到10%容量時，整體P/E Cycles可以100%達到3K，使用壽命達到5年；當Flash使用50%容量，此時P/E Cycles、使用壽命可能減半成為2年，在一個頻繁使用到近100%容量的環境下，其P/E Cycles數與使用壽命就會降到一年。

Flash儲存裝置的真實應用特性，可能是第1年到第N年，用戶會經常性的寫入，從第N年到第M年則降為一般性的讀寫，到M年以後僅能唯讀，直到M+R年為止，因此ATP分析客戶真實應用的特性，為客戶規劃並量身打造出適合其使用產品週期的產品。

降低電源突然失效╱中斷的風險

曾德彰指出，對Flash記憶體產品在進行寫入時，像是正在寫入控制器鍊結表(Linktable)或磁碟檔案配置表(File Allocation Table；FAT)時，會造成產品失效需要返修的風險，甚至是整個磁碟資料的遺失，以及開機後無法辨識該裝置的風險。

ATP針對企業用戶所需Power Cycling(電源長期間歇中斷)的嚴苛應用，提供ATP PowerProtector功能，當面對突然的電壓突波(power glitch)時仍可繼續運作。在傳統頁讀取(read page)、頁程式化(program page)、區塊抹寫(erase block)僅能容忍0.2ms、1ms與2ms的中斷，啟用ATP Power防護機制後，容忍間隔值增加到5ms以上。

ATP電源防護可以智慧偵測電源失效，並在關鍵斷電時候，提供充足電源直到控制器╱Flash完成最後一道program/erase命令為止；ATP Power Protector在電源失效的情況下可以中止從主控端後續下的cmd/write命令，正在做program或Erase的區塊則讓它繼續到完成為止。避免控制器進行鍊結表( Link table、address map of LBA)更新，或磁碟FAT表寫入時被中斷，而導致整個Flash儲存裝置的失效。

他總結ATP提供全系列不同尺寸、不同速率的Flash儲存應用產品。從體積最小，傳輸速度10？30MB的SD、miniSD與microSD記憶卡產品，到傳輸速度從10？150MB/s的UFD、CF、DOM、CFast等隨身碟、記憶卡產品；以及傳輸速度從100MB起跳，SlimSATA、mSATA尺寸設計SSD模組，以及SATAⅡ、SATAⅢ的SSD，即便從早期512MB？32GB記憶卡，以及小容量4GB？480GB的SLC/MLC SSD產品仍持續提供。

SSD產品並提供ATP Power Protector 以強化power cycling應用時的安全防護與軍用級防摔防震(MIL_STD-810G)認證，並具有AES/Military Secure Erase Tool。以最高達8,000 TB (TBW) 寫入壽命的SATAIII SSD提供企業級與寬溫使用環境下高達十年以上的產品使用壽命。