全球的智能手机用户一直在不断寻求更好的移动体验。他们不仅下载前所未有的更多应用,而且还使用更复杂的应用,以实现在摄影、4K Ultra视频的播放和录制、电影串流、导航、影像撷取以及虚拟现实(VR)/扩增实境(AR)等方面的更多技术进步。

在世界上的某些特定地区,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,已经习惯于让手机完全地执行并管理他们的日常生活。例如在拥有全球最大智能手机用户群的中国,智能手机用户们经常使用先进的在线支付服务——如支付宝(Alipay)和财付通(Tenpay)来支付账单和管理财务,使用像微信(WeChat)等个人通讯服务来处理语音、视觉、文字和播送消息,甚至会利用手机预订如滴滴出行(Didi Chuxing)等出租车服务,此类服务已经覆盖四百多座城市的四亿用户。

预计在未来,更多的智能手机应用将产生难以想象的庞大数据量。消费者利用这些下一代数据密集型应用的能力,不断要求智能手机必须具有极快反应的系统级性能与更高容量,才能支持更大型档案及其每天将会产生与撷取的庞大数据量。

2D NAND与3D NAND的比较

由于智能手机的储存单元位于适合手机设备有限空间的小型半导体中,因而持续使用嵌入式闪存(flash)内存来储存和操作应用和用户数据。几十年来,闪存一直基于2D平面的NAND技术,将储存单元水平地布署在实际空间中,并受限于半导体芯片的‘x’和‘y’边界。然而,这项技术已经达到了其实际的微缩限制了,因此,在每一代产品中,提供越来越高容量、高性能的储存产品变得日益困难。为此,3D NAND技术应运而生。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,可望释放巨大的储存容量成长潜力。其布置在硅基板上的内存单元能够被移动到第三维空间,也就是在各个分层上以垂直方式堆栈,并且透过传播电荷的导线进行连接。

透过将储存单元放置在多个分层上,就像摩天大楼的各个楼层一样,这种垂直堆栈方式能够在相同的实体空间中实现更大的储存密度,而不受芯片边界的限制,并且比2D平面NAND更可靠。此外,本文还将讨论业界优势以及3D NAND如何在系统层级上提高应用性能,从而有助于实现新一波智能手机应用。

智能手机用户基础持续扩大

智能手机已经成为消费者使用最频繁的移动设备,对用户来说也是最重要最关键的设备。用户不仅透过语音、文字和互联网与外界保持联系,也使用手机来进行娱乐、运算、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已经超过20亿,预计到2020年将成长至将近30亿。

智能手机用户每天都增加更多,而且也期望会有更多的设备功能,这明显表现在过去几年来显着提高的应用程序(App)下载量(图1)。

.在美国,2017年消费者的移动App下载量(373亿)将比2016年(292亿)提高约28%,预计到2021年底还将增加100%(达到747亿)。

.在亚太地区(APAC,包括拥有最大用户群的中国),2017年消费者的移动App下载量(1177亿)将比2016年(862亿)提高约37%,预计到2021年底将增加69% (达到1989亿)。 ScreenShot2017-12-12at6.52.43AM 全球移动应用程序(App)下载量(以区域计) (来源:Statista 2017)

随着智能手机App的使用量继续大幅增加,移动App的实际下载量也在不断提高中——目前,移动应用的平均大小在iOS系统中大约为38MB,而在Android系统中约有15MB。

目前应用较为流行的智能手机App中,照片与视频撷取应用的使用量不断上升——而且目前所撷取的内容也明显更加先进和复杂。1小时长度的720p高分辨率(HD)视频影片,以每秒30格(30f/s)的画面播放的速度,需要大约3.5GB的储存空间。而1小时1,080p的HD视频,以30f/s的画面播放速度时,需要大约7.6GB的储存空间,而以60f/s的画面播放速度需要大约11.7GB的储存空间。1小时的4K超高解析(Ultra HD)视频则需要大约21.9GB的储存空间。此外,2016年第四季全球销售的智能手机中,有将近44%都能够录制4K分辨率的视频,而慢动作视频需要的储存容量通常比标准视频更高8倍。

为了支持这些更高的储存需求,并充份利用规模更大的下一代应用,智能手机将需要反应极为灵敏的系统级(芯片组和内存)性能和更大的容量。过去支持16GB和32GB容量的智能手机现在已经被认为不足了,因为他们性能低、容量小,无法支持当今更动态的移动生活方式,从而为3D NAND闪存的应用铺路。

为消费者带来的好处

3D NAND以更低的每位成本因应与2D平面NAND微缩有关的挑战,并且提供更大的容量、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,以便能将更大的电池安装到相同的实体空间中,提供更长的设备使用寿命。

在3D NAND架构中,每个内存单元之间的空间比在传统2D NAND架构中更宽松,让储存设备能够更快地写入(或传输)数据。更宽松的单元空间还能够减少同一个分层上每个相邻3D NAND单元之间的噪声和“单元对单元”(cell-to-cell)干扰,从而带来比2D平面NAND架构更高的储存数据完整性。

储存级性能的提升,有助于改善智能手机应用的性能,并提供更强大的功能,例如更迅速的连续拍摄、更好的4K Ultra视频播放或者更快的文件传输,从而支持新一轮的智能手机应用。截至2017年底,全球采用3D NAND的储存设备约占整体NAND使用量大约30%,预计到2019年底将占约66%,并将更快速渗透至移动设备应用中。

支持下一代智能手机应用

3D NAND在性能、储存密度、可扩展性和可靠性方面均有重大改善,非常适合目前正在开发的下一代智能手机应用。许多独特且有趣的应用正在开发中,这将使未来的智能手机应用更加令人兴奋且更具有吸引力,这些都会推动对3D NAND的需求,以便储存这些更大的档案及其所产生的数据量。其中包括:

• 全息显示—支持在智能手机视频通话中使用3D全息影像来传达肢体语言

• 人工智能—让智能手机能够了解用户的个人偏好、兴趣、日程等等,不仅能根据个性化信息提供移动设备体验,还可以不断累积知识、模仿人的行为、理解真实场景

• 无人机模拟—透过仿真无人机的功能,将遗失的智能手机引导回合法的所有者手中

• 高阶游戏—让智能手机转变成与PC类似的高阶游戏设备

• 热成像—把智能手机转变为具有夜视功能的热成像光学设备,提供类似于军事人员和户外运动爱好者所使用的设备夜间模式功能

• 实时翻译—让智能手机能实时翻译关键的语言,协助在出现语言障碍时促进沟通交流,特别是有助于那些处于险境的旅行者

• 360度视频—让配备360度相机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,从而制作出动作片段和基本的VR类似体验

结语

3D NAND克服了与2D平面NAND微缩有关的挑战——以更低的每位成本(在相同的实体空间上)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。当嵌入于智能手机等移动设备时,能够大幅改善内存级储存,并因应在储存容量方面的巨大成长潜力,加速推动智能手机应用的新时代来临。

本文授权编译自EE Times,版权所有,谢绝转载

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