全球的智慧型手機用戶一直在不斷尋求更好的行動體驗。他們不僅下載前所未有的更多應用,而且還使用更複雜的應用,以實現在攝影、4K Ultra視訊的播放和錄製、電影串流、導航、影像擷取以及虛擬實境(VR)/擴增實境(AR)等方面的更多技術進步。

在世界上的某些特定地區,智慧型手機是唯一與外界聯繫的裝置,因此,使用者對它們的依賴程度非常高,已經習慣於讓手機完全地執行並管理他們的日常生活。例如在擁有全球最大智慧型手機用戶群的中國,智慧型手機用戶們經常使用先進的線上支付服務——如支付寶(Alipay)和財付通(Tenpay)來支付帳單和管理財務,使用像微信(WeChat)等個人通訊服務來處理語音、視覺、文字和播送消息,甚至會利用手機預訂如滴滴出行(Didi Chuxing)等計程車服務,此類服務已經覆蓋四百多座城市的四億用戶。

預計在未來,更多的智慧型手機應用將產生難以想像的龐大資料量。消費者利用這些下一代資料密集型應用的能力,不斷要求智慧型手機必須具有極快反應的系統級性能與更高容量,才能支援更大型檔案及其每天將會產生與擷取的龐大資料量。

2D NAND與3D NAND的比較

由於智慧型手機的儲存單元位於適合手機裝置有限空間的小型半導體中,因而持續使用嵌入式快閃記憶體(flash)記憶體來儲存和操作應用和使用者資料。幾十年來,快閃記憶體一直基於2D平面的NAND技術,將儲存單元水平地佈署在實際空間中,並受限於半導體晶片的‘x’和‘y’邊界。然而,這項技術已經達到了其實際的微縮限制了,因此,在每一代產品中,提供越來越高容量、高性能的儲存產品變得日益困難。為此,3D NAND技術應運而生。它採用創新的製程架構,能夠帶來比2D平面NAND更大的容量、更好的性能和更高的可靠性。

3D NAND是快閃記憶體領域的一個重大進步,可望釋放巨大的儲存容量成長潛力。其佈置在矽基板上的記憶體單元能夠被移動到第三維空間,也就是在各個分層上以垂直方式堆疊,並且透過傳播電荷的導線進行連接。

透過將儲存單元放置在多個分層上,就像摩天大樓的各個樓層一樣,這種垂直堆疊方式能夠在相同的實體空間中實現更大的儲存密度,而不受晶片邊界的限制,並且比2D平面NAND更可靠。此外,本文還將討論業界優勢以及3D NAND如何在系統層級上提高應用性能,從而有助於實現新一波智慧型手機應用。

智慧型手機用戶基礎持續擴大

智慧型手機已經成為消費者使用最頻繁的行動裝置,對使用者來說也是最重要最關鍵的裝置。使用者不僅透過語音、文字和網際網路與外界保持聯繫,也使用手機來進行娛樂、運算、導航、交易、捕捉珍貴時刻等等。截至2016年,全球智慧型手機用戶數量已經超過20億,預計到2020年將成長至將近30億。

智慧型手機用戶每天都增加更多,而且也期望會有更多的裝置功能,這明顯表現在過去幾年來顯著提高的應用程式(App)下載量(圖1)。 .在美國,2017年消費者的行動App下載量(373億)將比2016年(292億)提高約28%,預計到2021年底還將增加100%(達到747億)。 .在亞太地區(APAC,包括擁有最大用戶群的中國),2017年消費者的行動App下載量(1177億)將比2016年(862億)提高約37%,預計到2021年底將增加69% (達到1989億)。

20180613_3DNAND_NT31P1 全球行動應用程式(App)下載量(以區域計) (來源:Statista 2017)

隨著智慧型手機App的使用量繼續大幅增加,行動App的實際下載量也在不斷提高中——目前,行動應用的平均大小在iOS系統中大約為38MB,而在Android系統中約有15MB。

目前應用較為流行的智慧型手機App中,照片與視訊擷取應用的使用量不斷上升——而且目前所擷取的內容也明顯更加先進和複雜。1小時長度的720p高解析度(HD)視訊影片,以每秒30格(30f/s)的畫面播放的速度,需要大約3.5GB的儲存空間。而1小時1,080p的HD視訊,以30f/s的畫面播放速度時,需要大約7.6GB的儲存空間,而以60f/s的畫面播放速度需要大約11.7GB的儲存空間。1小時的4K超高解析(Ultra HD)視訊則需要大約21.9GB的儲存空間。此外,2016年第四季全球銷售的智慧型手機中,有將近44%都能夠錄製4K解析度的視訊,而慢動作視訊需要的儲存容量通常比標準視訊更高8倍。

為了支援這些更高的儲存需求,並充份利用規模更大的下一代應用,智慧型手機將需要反應極為靈敏的系統級(晶片組和記憶體)性能和更大的容量。過去支援16GB和32GB容量的智慧型手機現在已經被認為不足了,因為他們性能低、容量小,無法支援當今更動態的行動生活方式,從而為3D NAND快閃記憶體的應用鋪路。

為消費者帶來的好處

3D NAND以更低的每位元成本因應與2D平面NAND微縮有關的挑戰,並且提供更大的容量、更好的性能和更高的可靠性。用於開發3D NAND的製造製程使得我們能夠採用更小尺寸的晶片,以便能將更大的電池安裝到相同的實體空間中,提供更長的裝置使用壽命。

在3D NAND架構中,每個記憶體單元之間的空間比在傳統2D NAND架構中更寬鬆,讓儲存裝置能夠更快地寫入(或傳輸)資料。更寬鬆的單元空間還能夠減少同一個分層上每個相鄰3D NAND單元之間的雜訊和「單元對單元」(cell-to-cell)干擾,從而帶來比2D平面NAND架構更高的儲存資料完整性。

儲存級性能的提升,有助於改善智慧型手機應用的性能,並提供更強大的功能,例如更迅速的連續拍攝、更好的4K Ultra視訊播放或者更快的檔案傳輸,從而支援新一輪的智慧型手機應用。截至2017年底,全球採用3D NAND的儲存裝置約佔整體NAND使用量大約30%,預計到2019年底將佔約66%,並將更快速滲透至行動裝置應用中。

支援下一代智慧型手機應用

3D NAND在性能、儲存密度、可擴展性和可靠性方面均有重大改善,非常適合目前正在開發的下一代智慧型手機應用。許多獨特且有趣的應用正在開發中,這將使未來的智慧型手機應用更加令人興奮且更具有吸引力,這些都會推動對3D NAND的需求,以便儲存這些更大的檔案及其所產生的資料量。其中包括:

  • 全息顯示—支援在智慧型手機視訊通話中使用3D全息影像來傳達肢體語言
  • 人工智慧—讓智慧型手機能夠瞭解用戶的個人偏好、興趣、日程等等,不僅能根據個性化資訊提供行動裝置體驗,還可以不斷累積知識、模仿人的行為、理解真實場景
  • 無人機模擬—透過模擬無人機的功能,將遺失的智慧型手機引導回合法的所有者手中
  • 高階遊戲—讓智慧型手機轉變成與PC類似的高階遊戲裝置
  • 熱成像—把智慧型手機轉變為具有夜視功能的熱成像光學裝置,提供類似於軍事人員和戶外運動愛好者所使用的裝置夜間模式功能
  • 即時翻譯—讓智慧型手機能即時翻譯關鍵的語言,協助在出現語言障礙時促進溝通交流,特別是有助於那些處於險境的旅行者
  • 360度視訊—讓配備360度相機的智慧型手機能夠創建出同時記錄各個方向景象的視訊,在此過程中,用戶可以控制每個景象,從而製作出動作片段和基本的VR類似體驗

結語

3D NAND克服了與2D平面NAND微縮有關的挑戰——以更低的每位元成本(在相同的實體空間上)實現了更高的密度,同時提供更大的容量、更好的性能和更高的可靠性。當嵌入於智慧型手機等行動裝置時,能夠大幅改善記憶體級儲存,並因應在儲存容量方面的巨大成長潛力,加速推動智慧型手機應用的新時代來臨。

(參考原文:3D NAND Storage Fuels New Age of Smartphone Apps,by Christopher Bergey, Western Digital)