Multi-bit per cell storage

Memories Scaling

     其他的的半导体存储器的制程一般2年为一个升级周期，但是nand flash 存储器的制程升级周期和他们比起来只有1年。这种更快的制程升级导致SLC NAND的每一个bit的大小在2005年就超过了MLC NOR，可以参考图1.6。 MLC NAND是到目前为止成本最低的半导体存储器即使相对于其他存储器接近于成本的价格，这主要是由于NAND的存储单元非常小并且使用了一个存储单元存多位数据的技术。

 

Multi-level 存储单元的概念

    图1.7展示了flash 存储器的multi-level存储单元的概念，传统的SLC或者single-level存储单元只通过对存储单元的floating gate是否充电和不充电来区别‘1’和‘0’；通过增加充电电压的阀值的数目，每一个存储单元可以存储多位数据。比如MLC的每个存储单元就可以通过将阀值的数量增加‘11’‘10’‘01’‘00’来存储两个bit；同样的通过将阀值的数量增加到8个和16个，那么每个存储单元就可以存储3个bie和4个bit。

    multi-level的存储单元的优点在于不用提高制程的复杂性就可以增加存储容量。用于生产SLC的wafer同样也可以用来生产MLC, 3-bit per cell和4-bit per cell的存储器。但是MLC存储器需要精确的对阀值充电的定位能力，所以充电的区域不能重叠并且要对不同大小的充电要有精确和灵敏的反应，由于Vt的阀值的数量不断增加，所以他用于写和定位的时间也有所增加。另外，额外的电路和写入算法也是必要的，他可以用来减轻各项功能的衰弱和提升他自己的寿命。

    事实上，从SLC到MLC、再到3-bit per cell再到4-bit per cell技术上的转移是相同的，对于器件本身来说从这一代制程到下一代制程的转移不需要额外的资本投入，只是有一部分容量会缩水。

NAND scaling

    图1.8展示了SLC,MLC,8LC,16LC技术的位大小的趋势。而位大小的是成本的一个表示。第一块MLC NAND Flash是在2001年末由Sandisk和Toshish共同发布的。他是一块基于0.16um技术制程的1Gb大小的芯片，随后MLC的各种新制程也不断被发布出来。

    第一商用的8LC产品也是由Sandisk和Toshish在2008年发布的，这块芯片是一个基于56nm制程技术的16Gb的产品，56nm是比主流的MLC制程落后一代制程技术。结果这块8LC的芯片因为与基于43nm的MLC产品相比更具有成本优势而变成了一款很短命的产品。但是到了2010年，8LC由于使用了和MLC相同的制程技术而更具有了成本优势。

    相对8LC，16LC也是由Sandisk和Toshish在2009年基于成熟的43nm的制程技术来发布的，这块芯片是一块64Gb的产品，但是和当时主流的的32nm制程技术的MCL相比起来又没有的成本优势。这款产品主要是用来学习的，只有当16LC能够用最先进的制程技术生产的时候他的成本优势才会得以体现。

    另外，需要注意的是从SLC到MLC到8LC到16LC，每一个bit的成本的降低的幅度也是越来越小的，比如从SLC到MLC转移大概成本降低了40%~50%，但是从MLC到8LC成本则降了20%，从8LC到16LC更是只降了10%。这样的结果就导致16LC可能没有足够的成本价值去让生产商对他感兴趣了。

    一个主要的scaling挑战是存储在floating gate中的电子数量随着制程的降低而在明显减少。这就会影响到存储数据的值和保存时间。这些问题加起来就让inter-cell的干扰使得16LC有一个更小的scalable的技术。为了克服这些挑战，将来新一代的NAND Flash 就需要有新的programming算法和能够去除噪音的信号处理技术。