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nand运用小Z聊固态：NAND闪存颗粒的打开方式

发布时间 : 2024-10-08

作者 : 小编

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小Z聊固态：NAND闪存颗粒的打开方式

关注固态硬盘产品的各位朋友应该发现了，近来几乎各大品牌的固态硬盘产品都涨价了！虽然涨幅不算太大，但是在价格十分敏感的电子消费产业，还是十分耐人寻味的，特别是一些经典热销产品的涨价就更是让人看不懂了。

下图是笔者统计过的，从6月15日起到6月30日止，京东商城上热销的部分品牌的销量最高产品的价格变化图。通过图表可以看到，除了金士顿和浦科特旗下的两款固态硬盘在统计中没有大的变化外，其余各大品牌，诸如三星、东芝、闪迪、ocz等都有着不同幅度的涨价。

在前面几期的“小Z聊固态”中，我们知道固态硬盘最大的制造成本其实在于闪存颗粒，闪存颗粒的价格变化直接影响到固态硬盘产品的价格变化。看到这里，我想部分朋友已经可以猜到为什么此次固态硬盘产品集体涨价了。

没错，原因就和上次机械硬盘因为泰国洪水淹没大部分机械硬件加工商导致全行业涨价一样，此次三星位于西安的全球最大的NAND闪存制造厂的停电事故，影响了NAND的正常生产，再加上处于闪存颗粒生产的旺季，市场上的NAND闪存供不应求，因而出现了大范围的固态硬盘价格上扬。

那么又有人问了，“一个三星NAND闪存厂竟能影响到全行业？难道没有其他闪存厂能够替代它吗？”

今天，小Z就借着这个话题和大家一起聊聊闪存颗粒和闪存厂的那些事。

在固态硬盘领域，掌握了闪存颗粒几乎可以说就掌控了固态市场。目前，全球范围内从事NAND flash的厂商大大小小不计其数，但具有统治地位的就只有区区六家，他们分别是三星（Samsung）、东芝（Toshiba）、英特尔（intel）、海力士（SK hynix）、美光（Micron）、闪迪（SanDisk），这六家从事NAND FLASH制造的厂商几乎垄断了全球大部分的市场份额，接下来我们就一一介绍。

半导体霸主：英特尔（intel）

英特尔公司（IntelCorporation）总部位于美国加州，工程技术部和销售部以及6个芯片制造工厂位于美国俄勒冈州波特兰。

英特尔的创始人罗伯特·诺伊斯RobertNoyce和戈登·摩尔GordonMoore原本希望他们新公司的名称为两人名字的组合——MooreNoyce，但当他们去工商局登记时，却发现这个名字已经被一家连锁酒店抢先注册。不得已，他们采取了“IntegratedElectronics（集成电子）”两个单词的缩写为公司名称。现任CEO是BrianKrzanich。

英特尔公司在随着个人电脑普及，英特尔公司成为世界上最大设计和生产半导体的科技巨擘。除了为全球日益发展的计算机工业提供建筑模块，包括微处理器、芯片组、板卡、系统及软件等，公司在半导体顶层技术的研发中始终处于世界领先地位，拥有多项半导体生产专利技术，长期位列全球半导体厂商排行榜的首位。

intel早期闪存颗粒的编号信息

在固态硬盘领域，早期的英特尔自产自研的闪存颗粒，多用于自家高端产品，或是合作紧密的友商产品中，几乎很少输出。

到了中期，英特尔和美国著名的半导体厂商美光进行了深度合作，共建晶圆制造厂，并将晶圆厂中品质和纯度较高的闪存颗粒用于自家的产品，如intel 710系列就是采用的eMLC企业级颗粒，而将品质低的颗粒用于低端产品和输出到第三方，例如intel 320系列以及部分威刚、OCZ产品，在此就不一一论述了。

intel 540s采用海力士16nm闪存颗粒

到了后期，也就是现在intel几乎已经很少在中低端产品中使用自家颗粒了，会根据产品定位不同，灵活选择。例如，最新发布的针对消费级市场的INTEL 540S系列就是采用的海力士16nm闪存颗粒，而面向高性能和安全应用的SSD Pro 5400s则是采用美光和intel合资的16nm闪存。

晶圆之光：美光（Micron）

美光科技（MicronTechnology，以下简称美光科技）位于美国爱德荷州首府波伊西市，于1978年由WardParkinson、JoeParkinson、DennisWilson和DougPitman创立，1981年成立自有晶圆制造厂。

美光科技是全球最大的半导体储存及影像产品制造商之一，其主要产品包括DRAM、NAND闪存和CMOS影像传感器。美光科技先进的产品广泛应用于移动、计算机、服务、汽车、网络、安防、工业、消费类以及医疗等领域，为客户在这些多样化的终端应用提供针对性的解决方案。

在1990年代初期，美光科技成立MicronComputers（美光电脑）子公司来制造个人电脑，该公司即后来的MicronElectronics（美光电子）。

1998年亦并购了Rendition公司来制造3D加速芯片。

2002年美光卷入了内存价格操纵丑闻。

2007年3月21日首次在中国西安成立了工厂，主要生产DRAM和NAND快闪存储器。

美光flash颗粒的命名规则

在固态硬盘领域，美光和intel进行了深度合作，并于2006年在美国犹他州Lehi地区合资共建，25nm工艺闪存制造厂IMFT，而根据相关文件披露，IMFT生产的晶元，49%销售给Intel，另外51%则归美光。

除了生产闪存颗粒，美光还拥有固态硬盘生产线以及市场终端品牌英睿达。不同于intel闪存颗粒，多用于自家产品，美光的闪存颗粒因其性能稳定，深受OEM厂商热捧，并大量输出到各大OEM厂商以及各大品牌固态硬盘厂商。

自产自销：三星（Samsung）

如果说英特尔是半导体行业的绝对领路人和开创者的话，那么三星毫无疑问是最强的追逐者和竞争者。

三星电子（SamsungElectronics）作为韩国电子产品生产企业，是韩国规模最大的企业，同时也是三星集团子公司中规模最大且在国际市场处于领先地位的企业。

该公司在全世界共65个国家拥有生产和销售法人网络，员工数多达157，000人，早在2009年超越惠普（HP）跃升为世界最大的IT企业，其中LCDTV、LEDTV和半导体等产品的销售额均在世界上高居榜首。

在庞大的三星集团内部，半导体事业部可谓是打造三星帝国的一等功臣。

三星集团创始人李秉哲不顾公司众人反对，毅然决然地于1983年在日本东京正式开始进军半导体行业。对此他曾经表示，三星符合韩国缺乏资源的自然条件，只有开发高附加值、技术含量高的产品才能实现企业的第二次飞跃。

在此后的10个月内，三星电子在世界上第三个推出64KDRAM，这在国内外经济界引起强烈反响。然而，日后由于半导体价格暴跌，企业在事业之初陷入困境。尽管如此，三星的存储器半导体依然取得了长足的发展，1992年率先开发成功64MDRAM，终于在世界上确保了最强的技术实力；1993年如愿以偿地荣登存储器半导体世界第一的宝座。此后于1994年和1996年连续开发成功256M和1GDRAM，这同样拥有‘世界最先开发’的荣耀，这样，半导体逐渐成为韩国具有代表性的产业。2002年NANDFlash位居世界榜首；2006年与2007年分别在世界上率先研制成功50纳米级DRAM和30纳米级NAND等，三星电子在存储器领域的占有率超过30%，成为业界的强者。

三星750evo采用自家闪存颗粒

拥有大量的世界顶尖的半导体专利技术的三星，近些年也没有停止研发的脚步。就固态硬盘行业而言，三星是业界首个将TLC闪存颗粒运用于固态硬盘产品的厂商，同时研发出全球领先的3D-NAND闪存颗粒技术，极大的提升了闪存颗粒的实际使用容量，进一步压缩了闪存颗粒的体积，引发了闪存颗粒的又一次革命。

三星flash颗粒编号信息表

作为半导体厂商，三星也和intel一样，有着完整的闪存颗粒生产线，却都仅将颗粒运用于自家产品，三星家更是做得彻底，所有原产颗粒都不允许输出，仅装备于自家固态品牌。因而，很多关于三星闪存的具体参数信息很少见诸于网络。

闪存缔造者：东芝（Toshiba）

作为我们的邻居，韩国在闪存制造上有三星，而日本则有东芝。

东芝（TOSHIBA）是日本最大的半导体制造商，亦是第二大综合电机制造商，隶属于三井集团旗下。东芝原名东京芝浦电气株式会社，1939年由株式会社芝浦制作所和东京电气株式会社合并而成；从1875年开创至今，已经走过了133年的漫长历程。

早在80年代东芝与NEC是世界上最大的两家半导体制造商，同时东芝还是闪存存储标准SD协会的董事会成员之一，是多项规格标准的制定者和推动者，拥有着半导体闪存行业多项世界第一和生产专利，到了90年代，东芝已经成长为世界排名前5的芯片厂，在2008年东芝排名第3，仅次于英特尔和三星，但排在德州仪器和意法之前，到了今天东芝依旧在世界半导体行业、芯片制造行业有着举足轻重的作用。

具体到固态硬盘领域，东芝原厂闪存颗粒几乎占领了主流的固态硬盘市场，成为有一定实力的固态硬盘厂商首选颗粒。究其缘由，一则是东芝近百年的生产制造经验带来的严格的品控，二则是东芝乐于向外输出优质原厂闪存颗粒。

目前，几乎所有大品牌的固态硬盘厂商都使用过东芝相关型号的闪存颗粒。例如浦科特全系列M6V/M7V/M6S PLUS等产品，还有金士顿的v300/uv400，OCZ几乎全系列等。

东芝flash颗粒编号示意图

除了制造原厂闪存颗粒外，还有更多的二线厂商使用东芝原厂的白片颗粒，以及部分厂商使用的东芝黑片，可以说几乎所有主流固态硬盘厂商都使用过东芝制造的闪存颗粒。

同时和三星、intel一样，东芝自家也有固态硬盘终端产品，从开山之作东芝Q系列，东芝Q200，东芝Q300一直到东芝Q300 PRO,每一款源自东芝的新品都带给消费者许多惊喜。

性价比之王：海力士（SK Hynix）

闪存颗粒作为固态硬盘制造中最花费成本的核心器件，提供极高性价比的产品也是能有极大的市场。

海力士脱胎于韩国另一家半导体制造企业现代内存,并于2001年更名为海力士，2012年正式更名为SK hynix。

海力士半导体在1983年以现代电子产业有限公司成立，在1996年正式在韩国上市，1999年收购LG半导体，2001年将公司名称改为(株)海力士半导体,从现代集团分离出来。2004年10月将系统IC业务出售给花旗集团，成为专业的存储器制造商。2012年2月，韩国第三大财阀SK集团宣布收购海力士21.05%的股份从而入主这家内存大厂。

海力士半导体多年前已经在韩国制造了4条8英寸晶圆生产线和一条12英寸晶圆生产线，并在美国俄勒冈州有一条8英寸生产线。2004年及2005年全球DRAM市场占有率处于第二位，中国市场占有率处于第一位。并在世界各地有销售法人和办事处，共有员工15000人。

海力士部分flash颗粒产品编号示意图

如今的海力士半导体，一直以行业最高水平的投资效率、生产效率、销售效率，在竞争激烈的半导体行业站稳脚跟，并以快速的更新能力和极高的性价比，成为众多固态硬盘厂商欢迎的原厂颗粒提供商。

目前，intel旗下多款产品采用了海力士颗粒，例如从intel pro 2500到最新的intel 540s。同时国内许多新兴厂商都在使用有着高性价比的SK Hynix闪存颗粒，例如金泰克等。

闪存帝国：闪迪（SanDisk）

在闪存卡领域，闪迪绝对是行业的巨擘，而在固态硬盘领域，闪迪也凭借着其拥有着完整的闪存颗粒加工体系，成为固态硬盘行业的巨头之一。

SanDisk (闪迪)公司是全球最大的闪速数据存储卡产品供应商。诞生于1988年加利福尼亚帕罗奥多，该公司由非易失性存储技术领域的国际权威Harari Eli博士在1988年创立。

闪迪作为全球唯一一家有权制造和销售所有主要闪存卡格式的公司，拥有超过4900多项关于存储、闪存颗粒等相关技术的专利，并在全球各地拥有着多条闪存颗粒加工制造厂。

闪迪至尊极速系列采用闪迪颗粒

早在2005年，就和日本存储大厂东芝合作，在位于日本四日市运营处的建立起NAND flash闪存 300mm工艺的晶片制造厂，并与2011年正式投入生产。

鉴于闪迪在闪存卡拥有着全球唯一的全系列生产线，因而闪迪原厂的闪存颗粒多用于自身产品消化，并没有大规模投入市场。同时鉴于在NAND flash生产上，闪迪几乎和东芝成为一家人，许多相关产品编号信息暂时无法查询。

总结：

intel和美光、东芝和闪迪、自产自销的三星、性价比的海力士，目前市场上存在的闪存颗粒六大巨头都根据自己的实际特点，你追我赶的占领市场高地，近乎垄断了固态硬盘闪存颗粒的所有市场份额。

然而就六大品牌内部比较，由于各大品牌的侧重点不同，主攻方向的差异。在没有限定的前提下，无法区分到底谁家颗粒好，谁家颗粒烂，但是唯一具有参考意义的便是，下次选购固态硬盘的时候，有这六大厂商的品牌logo，至少要比没有品牌logo来路不明的颗粒强得多得多。

芯片的3D化

摩尔定律遇到发展瓶颈，但市场对芯片性能的要求却没有降低。在这种情况下，芯片也开始进行多方位探索，以寻求更好的方式来提升性能。通过近些年来相关半导体企业发布的成果显示，我们发现，芯片正在从二维走向三维世界——芯片设计、芯片封装等环节都在向3D结构靠拢。

晶体管架构发生了改变

当先进工艺从28nm向22nm发展的过程中，晶体管的结构发生了变化——传统的平面型晶体管技术（包括体硅技术(Bulk SI)和绝缘层覆硅(SOI)技术等）的发展遇到了瓶颈，为了延续摩尔定律，拥有三维结构的FinFET技术出现了。

在传统晶体管结构中，控制电流通过的闸门，只能在闸门的一侧控制电路的接通与断开，属于平面的架构。在FinFET的架构中，闸门成类似鱼鳍的叉状3D架构，可于电路的两侧控制电路的接通与断开。这种设计可以大幅改善电路控制并减少漏电流(leakage)，也可以大幅缩短晶体管的闸长。

2011年5月英特尔宣布使用FinFET技术，而后台积电、三星也都陆续采用FinFET。晶体管开始步入了3D时代。在接下来的发展过程中，FinFET也成为了14 nm，10 nm和7 nm工艺节点的主要栅极设计。

FinFET是胡正明教授基于DELTA技术而发明的，由于FinFET技术为半导体的创新带来了新契机，国际电子电气工程学会(IEEE)授予了胡正明2020年IEEE荣誉奖章，IEEE称其获奖是“开发半导体模型并将其投入生产实践，尤其是3D器件结构，使摩尔定律又持续了数十年。”

2015年曾有报道称，FinFET未来预期可以进一步缩小至9nm。发展至今，我们也看到，FinFET技术仍然还被用于7nm中，但从市场发展中看，FinFET技术还没有走到尽头，根据台积电2019中国技术论坛上的透露的消息显示，台积电在今年第二季度量产的5nm中，将使用High Mobility Channel FinFET的节点。

3D封装引发新的竞争

除了晶体管结构走向了3D以外，封装技术也在向3D方向发展。有报道指出，用先进封装技术提供的高密度互联将多颗Chiplet包在同一个封装体内，将是未来的发展趋势。而在这其中，3D封装将产生巨大的影响。

日前，AMD在其2020年财务分析师日发布了其新型的封装技术——X3D封装，据悉，该技术是将3D封装和2.5D封装相结合。AMD称其X3D芯片封装技术将把其MCM带入三维，并将带宽密度提高10倍。

在CES 2019展会上，Intel也正式公布了Foveros 3D立体封装技术，Foveros 3D可以把逻辑芯片模块一层一层地堆叠起来，而且可以做到2D变3D后，性能不会受到损失，电量消耗也不会显著增加。据wikichip的消息显示，第一代Foveros是采用英特尔的10 nm工艺引入的，它具有每比特0.15皮焦耳的超低功率，其带宽是类似2.5D Si中介层的 2-3倍，并且可扩展至3 W至1 kW。

而我们都知道，近些年来，英特尔和AMD之间在CPU上的竞争很是激烈。而伴随着大规模数据中心的发展，让CPU承担所有的计算任务似乎是有些困难，于是GPU逐渐加入了进来——CPU适合日常进行的通用计算，侧重主要在整数计算方面，而GPU在浮点运算和并行处理方面占据巨大优势，如果能够将两者优势结合起来，更强大的处理器就会诞生，因此，AMD和英特尔也先后启动了相关GPU的项目。CPU与GPU如果相集成，也就成为了近些年来备受关注的Chiplet模式。对于Chiplet来说，封装就显得十分重要。而AMD的X3D，英特尔的Foveros 3D，都是发展Chiplet的基础。

CPU和GPU的整合会推动百亿级别的超算的发展，而这或许也会将英特尔与AMD之间的竞争带到另外一个阶段。据外媒报道称，AMD和Intel都赢得了美国DOE百亿级超级计算机的合同。

除此以外，台积电也在积极发展3D封装业务。据相关报道显示，2019年4月，台积电完成全球首颗3D IC封装技术，预计2021年量产。业界认为，台积电正式揭露3D IC封装迈入量产时程，意味全球芯片后段封装进入真正的3D新纪元，台积电掌握先进制程优势后，结合先进后段封装技术，对未来接单更具优势，将持续维持业界领先地位。

格芯亦投身于3D封装领域，2019年8月，格芯宣布采用12nm FinFET工艺，成功流片了基于ARM架构的高性能3D封装芯片。据相关报道显示，3D 封装解决方案（F2F）不仅为设计人员提供了异构逻辑和逻辑 / 内存整合的途径，而且可以使用最佳生产节点制造，以达成更低的延迟、更高的带宽，更小芯片尺寸的目标。另外，格芯还表示，因为当前的12纳米工艺成熟稳定，因此目前在3D空间上开发芯片更加容易，而不必担心新一代 7 纳米工艺所可能带来的问题。

从数据来看，据相关资料显示，与传统封装相比，使用3D技术可缩短尺寸、减轻重量达40-50倍;在速度方面，3D技术节约的功率可使3D元件以每秒更快的转换速度运转而不增加能耗，寄生性电容和电感得以降低，同时，3D封装也能更有效地利用硅片的有效区域。基于3D封装的种种优势，或许，未来将有更多的玩家参与其中。

存储产品的3D时代

伴随着三星、美光、东芝、英特尔纷纷开始投入到3D NAND的生产和研发中来，存储产品也开始走向了3D时代。在这些厂商发展3D闪存的过程当中，也衍生了一些新的技术，来助力其闪存产品向3D方向发展。其中，就包括了三星的V-NAND、东芝的BiCS技术3D NAND、英特尔的3D XPoint等。

三星在3D NAND闪存上首先选择了CTF电荷撷取闪存（charge trap flash，简称CTF）路线，相比传统的FG（Floating Gate，浮栅极）技术难度要小一些。最终，三星量产的是VG垂直栅极结构的V-NAND闪存，目前已经发展了六代V-NAND技术。据三星官方消息显示，新款 V-NAND 运用三星电子有的“通道孔蚀刻”技术，向前代 9x 层单堆叠架构增加了约 40% 单元。这是通过构建由 136 层组成的导电模具堆栈，然后垂直自上而下穿过圆柱孔，形成统一的 3D 电荷撷取闪存 (CTF) 单元实现的。

东芝方面，东芝的BiCS闪存是Bit Cost Scaling，强调的就是随NAND规模而降低成本，号称在所有3D NAND闪存中BiCS技术的闪存核心面积最低，也意味着成本更低。此外，铠侠今年推出的UFS 3.1嵌入式Flash闪存芯片，同样是基于东芝BiCS 3D存储技术打造，设计容量包括128GB、256GB、512GB和1TB，主控和闪存都按照规范要求封装在11.5 x 13mm的尺寸之内。去年12月，铠侠还宣布，其已开发出一种名叫“Twin BiCS FLASH”的新式半圆形 3D 存储单元结构。据悉，与传统循环设计的电荷陷阱单元相比，铠侠首创的这种半圆形 3D 浮栅单元结构，具有更大的编程 / 擦除窗口和斜率，且单元尺寸做到了更小。

而SK海力士方面，则在去年6月宣布了其关于4D NAND的进展。据相关报道显示，SK海力士将在世界上首次开发和量产128层1Tb级的TLC(Triple-Level cell，三层单元格)4D Nand闪存。据悉，在占据NAND市场85%以上的TLC产品中，SK海力士是第一个推出1Tb级产品的公司。

3D XPoint则是由英特尔和美光科技于2015年7月发布的非易失性存储器（NVM）技术。英特尔为使用该技术的存储设备冠名Optane，而美光称之为QuantX。2019年初，英特尔和美光在3D存储芯片市场上的合作走到了尽头。在3D Xpoint技术上，英特尔率先在2017年完成了3D Xpoint的商业化，推出了傲腾，而2019年11月，美光也终于拿出了自己的QuantX。而根据最新的一些消息来看，英特尔下一代采用3D XPoint的产品或许将要延后发布。根据DOIT的报道显示，在英特尔最新的年度报告中显示，英特尔或将从美光购买3D Xpoint芯片。

此外，长江存储也在3D NAND上有所突破，并推出了其独特的Xtacking技术。据相关报道显示，传统3D NAND架构中，外围电路约占芯片面积的20—30％，降低了芯片的存储密度。随着3D NAND技术堆叠到128层甚至更高，外围电路可能会占到芯片Xtacking技术将外围电路连接到存储单元之上，从而实现比传统3D NAND更高的存储密度。据悉，长江存储的64层3D NAND闪存产品将在2020年进入大规模量产，此外，长江存储还将在今年跳过96层，直接投入128层闪存的研发和量产工作。

结语

芯片从二维走向三维的过程中，出现了很多新技术，这些新技术的出现，不仅突破了某个行业内的瓶颈，也促进了半导体产业的继续创新。同样，在技术变革的过程中，半导体企业也要面临着新的竞争，这种竞争也为新进玩家带来了发展壮大的机会。

*免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点，不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系半导体行业观察。

今天是《半导体行业观察》为您分享的第2249期内容，欢迎关注。

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