USB 闪存盘 固态硬盘和闪存卡中的 SLC、MLC、TLC 和 3D NAND 之间区别

什么是 NAND？

NAND 是一种非易失性闪存，可在未连接电源时存储数据。

断电后保留数据的能力使得 NAND 成为内置设备、外置设备和便携设备的理想选择。

USB 闪存盘、固态硬盘和 SD 卡均利用闪存技术，为手机或数码相机等设备提供存储。

市场上存在多种类型的 NAND。

简言之，不同类型之间的区别在于每个单元可以存储的位数。

位代表电荷，电荷只能存储 0 和 1 两个值（代表开/关）中的一个。

各种 NAND 类型之间的关键区别在于成本、容量和耐久性。

耐久性是由一个闪存单元在开始磨损前可以完成的程序擦除 (P/E) 周期数量决定的。

一个 P/E 周期是指擦除和写入一个单元的过程，NAND 技术支持的 P/E 周期越多，设备的耐久性越高。

NAND 闪存的常见类型是 SLC、MLC、TLC 和 3D NAND

SLC NAND

优点：最高耐久性 缺点：价格贵、容量低

单级单元 (SLC) NAND 每个单元存储一位信息。

一个单元存储 0 或 1，因此可以更快地写入和检索数据。

SLC 提供最佳性能和最高耐久性，高达 100,000 个 P/E 周期， 因而比其他类型的 NAND 更加耐用。

不过，低数据密度使得 SLC 成为最贵的 NAND 类型，因此通常不用于消费类产品。

它通常用于服务器以及其他要求速度与耐久性的行业应用。

MLC NAND

优点：比 SLC 便宜 缺点：速度和耐久性不如 SLC

多级单元 (MLC) NAND 每单元存储多个位，尽管 MLC 一词通常意味着每单元两位。

MLC 的数据密度比 SLC 高，因此可以实现更大的容量。

MLC 在价格、性能和耐久性之间取得良好平衡。

不过，MLC 对数据错误更加敏感，拥有 10,000 个 P/E 周期， 因此耐久性比 SLC 低。

MLC 通常用于对耐久性要求不算高的消费类产品。

TLC NAND

优点：最便宜、高容量 缺点：低耐久性

三级单元 (TLC) NAND 每单元存储三个位。

通过向每单元添加更多位，可以降低成本并提高容量。

不过，这对性能和耐久性具有负面影响，只有 3,000 个 P/E 周期 。

许多消费类产品采用 TLC，因为这是最便宜的方案

3D NAND

近十年来，3D NAND 是闪存市场最大创新之一。

闪存制造商开发了 3D NAND 来解决缩小 2D NAND 时面临的问题，从而以更低成本实现更高密度。

在 2D NAND 中，用于存储数据的单元水平并排放置。

这意味着，可用于放置单元的空间量有限，试图缩小单元则会降低其可靠性。

因此，NAND 制造商决定在另一个维度叠放单元，从而促成纵向叠放单元的 3D NAND 的产生。

更高存储密度可实现更高的存储容量，同时不会导致价格大幅上升。

3D NAND 还提供更高的耐久度和更低功耗。

总体而言，NAND 是一项非常重要的闪存技术，能以较低的每位成本提供更快的擦除和写入速度。

随着游戏行业的发展，NAND 技术料将进一步发展，帮助满足消费者日益增长的存储需求。

3D NAND原厂技术比拼，哪家垂直单元效率更高？

近日市场研究机构Techinsights对于三星、SK海力士/Solidigm、美光、KIOXIA/WD、YMTC的200层以上的3D NAND Flash进行了对比分析，发现三星的垂直单元效率 (VCE，vertical cell efficiency) 是最高的。

传统的NAND闪存单元采用平面晶体管结构，包括控制栅极（Control Gate）和浮动栅极（Float Gate）。通过向单元施加电压，电子在浮动栅极中存储和移除。

多年来，供应商将平面 NAND 的单元尺寸从 120nm 缩小到 1xnm 节点，使容量增加了 100 倍。然而，当单元尺寸达到了 14nm 的极限，这意味着该技术不再可扩展，由此NAND原厂纷纷转向3D NAND，以实现超过 2D NAND 结构的数据密度，并能够在更新一代的技术节点上制造。

具体来说，平面 NAND 由带有存储单元的水平串组成。而在 3D NAND 中，存储单元串被拉伸、折叠并以“U 形”结构垂直竖立。实际上，这些单元以垂直方式堆叠以缩放密度。因此，3D NAND存储单元有多个层级。

3D NAND的层数描述了堆叠在一起的字线（Word Line）数量。在这些字线层上切出一个垂直柱，柱子与每条字线的交点代表一个物理单元。也就是说，每个 3D NAND 存储单元都类似于一个微小的圆柱形结构。每个微小单元由中间的垂直通道和结构内部的电荷层组成，通过施加电压，电子可以进出绝缘电荷存储膜，然后读取信号。

平面 NAND 在每个节点上都减小了单元尺寸，而 3D NAND 则采用了更宽松的工艺，大约在 30nm 到 50nm 之间。3D NAND 内存容量的扩展主要是通过添加垂直层来实现的，在这种3D NAND结构中，单元密度会随着堆栈中层数的增加而增加。然后，每隔一到两年，供应商就会从一代技术迁移到下一代技术。

根据研究数据显示，供应商平均每代 3D NAND 都会增加 30% 至 50% 的层数。而每一代新的芯片将会增加 10% 至 15% 的晶圆成本。这也使得NAND 的每bit成本能够平均以每年约20%幅度降低。

现在，超过200层的TLC NAND 产品已经逐渐成为主流，比如三星236层NAND 、SK 海力士 238层NAND、美光 232层NAND 、YMTC 232层NAND。此外还有一些接近200层的厂商，比如铠侠（KIOXIA）和西部数据的 112层/162层NAND 和 Solidigm 的 144层/ 192层 (FG) NAND。

△Techinsights从 SK 海力士 2TB SSD PC811 HFS002TEM9X152N (设备：H25T3TDG8C-X682) 中提取了 SK 海力士 238L 512 Gb 3D NAND 芯片，该芯片尺寸为 34.56mm²，位密度为 14.81 Gb/mm²。

谈到 3D NAND 单元效率，垂直单元效率 (VCE，vertical cell efficiency) 对于 NAND 单元工艺、设计、集成和设备操作而言非常重要。

随着堆叠的总栅极数量的增加，单元 VC（vertical cell）孔高度也会增加。为了降低 VC 高度和纵横比，其中一种方法是通过减少虚拟栅极（dummy gates）、通过栅极（passing gates）和选择栅极（select gates）的数量来提高垂直单元效率。垂直单元效率可以用总栅极中active cell 的百分比来定义，也就是用active WL （Word Line）除以集成的总栅极数来计算。垂直单元效率越高，工艺集成度越高，纵横比越低，整体效率越高。

VCE可定义为活跃单元占总栅极的比例，即Active WL 数量除以总集成栅极数量×100%。例如，一个NAND串由Active WL、通道WL（含dummy WL）和选择器（源极/漏极）组成。若其包含96个Active WL和总计115个栅极，则VCE为83.5%，计算方法为96/115×100%。VCE越高，对工艺集成越有利，能实现更低的纵横比和更高的生产效率。

Techinsights发现，在多代 3D NAND 产品中，三星始终以最高的垂直单元效率领跑行业。他们最新的多层V-NAND 在前几代以高效著称的基础上，拥有令人印象深刻的垂直单元效率。美光和YMTC也在其产品中展示了强劲的垂直单元效率数据，这反映出它们在减少虚拟栅极、通过栅极和选择栅极数量方面取得了显著进步，从而优化了垂直单元效率。

△3D NAND 垂直单元效率趋势

总结来看，三星每一代产品的VCE都是最高的，比如采用单层结构的128层是94.1%，176层COP V-NAND是92.1%，236层2nd COP V-NAND是94.8% 。YMTC的232层Xtacking 3.0的VCE是91.7%，美光232层是91%。KIOXIA 162层的VCE稍低一些，为88%。SK海力士238层共有259个门，VCE为91.9%，仍然低于三星的236L。

编辑：芯智讯-林子

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