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NAND系统我们熟知的NAND闪存，还有个“双胞胎兄弟”

发布时间 : 2025-02-02

作者 : 小编

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我们熟知的NAND闪存，还有个“双胞胎兄弟”

【IT168 评论】无论消费者还是企业机构，大多数人在谈到闪存时，首先想到的就是NAND闪存。从一定的现实意义上来讲，NAND闪存可以说已经成为固态硬盘的代名词。基于块寻址结构和高密度，使其成为磁盘的完美替代品。

　　NOR闪存是另一种与NAND不同的闪存类型，它具有不同的设计拓扑结构，某些特定的应用场景下更为适合。在比较NAND和NOR闪存在不同应用中的相对优势和适用性之前，检查其结构差异是很重要的。

　　NAND闪存产品是当今已经达到高水准的存储芯片，是当前市面上嵌入式以及独立式SSD的主要原材料。多层单元(MLC)技术和3D制造工艺的结合，将NAND存储单元垂直蚀刻到硅衬底上，使存储密度和NAND芯片容量呈几何级增长。

　　NAND与NOR电路基础

　　尽管NAND闪存是这两种非易失性内存技术中相对流行的一种，但NAND和NOR都是由同一名东芝公司的工程师在上世纪80年代中期发明的。要理解这两个种类的区别和命名，需要简要回顾一下逻辑门的基础知识。

　　NAND和NOR分别涉及到布尔逻辑函数中的逻辑“和”（and）以及“或”（or）。如下所示，NAND和NOR都生成响应两个二进制输入的输出。

响应两个二进制输入的NAND和NOR输出

　　NAND和NOR逻辑门仅仅为它们各自的功能实现了上面这个真值表。

　　NAND门在概念上是作为AND门实现的——当两个输入都是1时输出1——后面跟着一个NOT门，这是一个逻辑反转。相应的，NOR门在概念上是一个OR门——有任何一个输入是1时输出1，然后是NOT门，这是一个逻辑倒装。

　　布尔逻辑的背景对于理解NAND和NOR闪存至关重要，因为闪存单元被连接到一个行和列的数组中。在NAND闪存中，一组中的所有单元(通常是一个字节的倍数，取决于芯片的大小)共享一条位线，并以串行方式连接每个单元，每个单元连接到一个单独的字行。同一字行连接一个内存块中的多个字节，通常为4 KB到16 KB。因此，只有当所有的字线都是高或单状态时，位线才会降低或变为零状态，这实际上将内存组转换为一个多输入NAND门。

　　与此相反，NOR闪存并行组织位线的方式是，当位线和字线都处于低或零状态时，内存单元只保持高或单状态。

　　NAND单元的串联结构使得它们可以通过导电层(或掺杂层)连接在衬底上，而不需要外部接触，从而显著减少了其横截面积。

　　NAND闪存单元的串联连接意味着它们不需要单元之间通过金属层进行外部接触——而这正是NOR拓扑结构所需的。使用导电层连接硅衬底上的单元意味着NAND闪存的密度通常比NOR高两个数量级，或100倍。此外，组内单元的串联连接使它们可以垂直地堆积在3D数组中，位线类似于垂直管道。

　　相反，由于NOR闪存单元不能单独寻址，因此它们对于随机访问应用程序更快。

　　NAND与NOR产品类型

　　这两种类型的闪存具有明显的特性和性能差异，它们有各自最适合的应用程序类型。除了容量外，NAND和NOR闪存还具有不同的运行、性能和成本特性，如下图所示。

　　这两种闪存中也有几种不同的产品类型，它们在I/O接口、写入持久性、可靠性和嵌入式控制功能方面有所不同。

　　NAND闪存产品类型

　　NAND闪存以单层（SLC）、多层（MLC）、三层（TLC）或四层（QLC）的形式在每个单元（cell）中存储bit，分别为1 bit/cell、2 bit/cell、3 bit/cell、4 bit/cell。要确定哪种类型的NAND最适合于工作负载，简单来说，每个单元的位数越高，其容量就越大——当然，是以数据持久性和稳定性为代价的。

　　NAND设备只是没有任何外围电路的存储芯片，这些外围电路使NAND闪存可以在SSD、U盘或其他存储设备中使用。相比之下，托管型NAND产品嵌入了一个内存控制器来处理必要的功能，比如磨损调平、坏块管理(从使用中消除非功能性内存块)和数据冗余。

　　NOR闪存产品类型

　　串行设备通过只暴露少量(通常是1到8个)I/O信号来减少包的pin数。对于需要快速连续读取的应用程序来说，这是理想的选择。NOR闪存通常用于瘦客户机、机顶盒、打印机和驱动器控制器。

　　并行NOR产品暴露多个字节，而且通常使用内存页而不是单独的字节进行操作，更适用于启动代码和高容量应用程序，包括数码单反相机、存储卡和电话。

　　两种闪存都是不可或缺的

　　NAND是闪存的主力，广泛用于嵌入式系统和SSD等存储设备的大容量数据存储。不过，NOR 闪存在存储可执行的启动代码和需要频繁随机读取小数据集的应用程序方面起着关键作用。显然，这两种类型的闪存将继续在计算机、网络和存储系统的设计中发挥作用。

　　原文作者：Kurt Marko

3DNAND原厂：哪家芯片存储效率更高？

随着数据存储需求的日益增长，3D NAND闪存技术凭借其高密度和低成本特性，已成为非易失性存储领域的关键技术。为满足面积密度的持续缩放趋势，3D NAND层数不断增加，这促使了双层乃至三层架构的出现，以避免对更复杂蚀刻工艺的需求。然而，这种多层结构在两层交界处引入了新的可靠性挑战。

近期，TechInsights对从SK hynix 2TB SSD（型号H25T3TDG8C-X682，使用PC811 HFS002TEM9X152N设备）中提取的SK hynix 238L 512 Gb 3D NAND芯片分析，并针对市场上的主流产品包括三星236L、SK hynix 238L、美光232L以及长江存储232L等2xx层TLC NAND产品，同时还有KIOXIA和西部数据的112L/162L以及Solidigm的144L/192L（FG）产品线，作了对比分析：

其中，有一个评估3D NAND单元效能时的关键指标， 垂直单元存储效率(VCE， vertical cell efficiency)，它对NAND单元的工艺、设计、集成及设备运行至关重要 。随着堆叠的总栅极数增加，单元VC孔的高度也随之上升。为降低VC高度和长宽比，一种策略是通过减少dummy栅极、通道栅极和选择栅极的数量来提升垂直单元效率。VCE可定义为活跃单元占总栅极的比例，即活跃WL（Word Line）数量除以总集成栅极数量。

例如，一个NAND串由活跃WL、通道WL（含dummy WL）和选择器（源/漏极）组成。若其包含96个活跃WL和总计115个栅极，则VCE为83.5%，计算方法为96除以115。VCE越高，对工艺集成越有利，能实现更低的长宽比和更高的生产效率。

三星在每一代产品中均保持最高的VCE水平，如单层结构的128L达到94.1%，176L COP V-NAND为92.1%，而236L第二代COP V-NAND则达到了94.8%。长江存储的232L Xtacking3 VCE为91.7%，美光232L为91%。KIOXIA的162L产品VCE稍低，为88%。SK hynix 238L拥有259个总栅极，VCE为91.9%，尽管较出色，但仍略低于三星的236L水平。

随着3D NAND技术向更高层数发展，提高垂直单元效率成为降低制造复杂度、提升成本效益的关键因素，而各存储巨头之间的技术竞赛也正围绕这一核心指标激烈展开。

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附：NAND技术最新路线

2024年第二季度，3D NAND闪存技术路线图迎来了最新更新，展现了存储技术领域的快速发展和竞争格局。以下是对主要厂商技术进展的深入分析：

三星（Samsung）

V7世代：三星已将单层结构改为双层结构，并将2D外围阵列设计转变为Cell-on-Periphery（COP）集成。目前，三星已向市场推出第二代COP结构的V8 236层1Tb TLC产品。

最新发布的V9代为接近300层的286层产品，再次体现了其在层数上的突破。三星还将引入混合键合技术（hybrid bonding），类似于铠侠（KIOXIA）即将推出的218层CBA技术和长江存储（YMTC）现有的Xtacking技术。

V6P版本：三星为990 EVO新增了133层V6 Prime（V6P）版本，作为128层V6的补充。133层为单层结构，无COP设计，总门数为133，有效字线数由128增至133，512Gb裸片上两个面各有两个子平面，速度提升至1600MT/s。

铠侠（KIOXIA）和西部数据（WDC）

继续沿用BiCS结构，当前市场上主要为112层（第5代）产品，去年推出了162层的第6代BiCS，但该代产品生命周期可能较短。

计划跳过第7代，直接进入BiCS第8代，第直接采用218层，后续正在开发284层的产品，两者都将采用两片晶圆的混合键合技术。若300层以上技术进展顺利，可能会跳过284层。

美光（Micron）

美光在128层时从FG CuA转为CTF CuA集成方式，已推出176层和232层产品。

目前正开发第7代产品，预计低于300层，类似三星的286层，未来可能直接跳至400层以上。

SK海力士（SK hynix+Solidigm）

Solidigm（原Intel NAND业务）已推出144层QLC NAND，采用三甲板设计。192层QLC已面市，下一步将迈向更高层数，但其计划受SK海力士影响存在变数。

SK海力士继续采用4D PUC结构，V7 176层产品将在2024年持续供应，而238层V8 4D PUC产品将很快广泛应用于市场。去年已宣布321层V9 4D PUC样品，下一个节点可能为3yy层（如370层或380层），位于400层以下。

长江存储（YMTC）

Xtacking结构：长江存储采用双晶圆混合键合的Xtacking结构，跳过了176层，直接进入232层。在开发232层之前，长江存储内部曾有过192层和198层样品，但最终选择了直接过渡到232层。

下一代G5产品将拥有超过300层，并采用Xtacking 4技术。由于受到美国芯片禁令影响，长江存储可能将更多精力转向已发布的128L和232L QLC设备，并为未来3D NAND开发多Xtacking技术。同时，长江存储正对包括美光在内的NAND竞争对手提起专利诉讼。

旺宏（MXIC）

旺宏已向市场提供了首款3D NAND产品，如为任天堂Switch提供的48层3D NAND芯片，目前正在采购相关零部件。旺宏正在开发第二代96层产品。

2024年内，200层及接近300层的3D NAND产品将成为市场主流，预示着存储密度和性能的新一轮飞跃。

未来两到三年内，市场有望见到超过500层乃至600、700层的3D NAND产品，这将依赖于更先进的混合键合技术和优化的铁电材料，以及低温HAR蚀刻技术。