V-NAND到底是个啥？三星970EVO Plus强悍性能的背后

当我们在聊固态硬盘的时候，我们到底在聊些什么？经历了十数年的行业发展后，固态硬盘的技术规范和产品形态上逐步实现了统一，各家产品的差异已然上升到了内部架构和核心组件方面的技术代差上了。

简单剖析，固态硬盘产品的内核无外乎三大组件，用于调控整体存储功能和特殊机制的“大脑”即主控芯片，产品内部制作成本最高、担当存储重任的闪存颗粒，以及部分产品上用于产品支撑的缓存颗粒。

至于重要性而言，一举打破存储行业格局，让固态硬盘走入千家万户的存储介质，即闪存颗粒部分，可以说是区别固态硬盘好坏的最重要的内核组件。今天，笔者就以业界知名的三星970EVO Plus为实例，简单聊下关于闪存颗粒的技术和功能演变。

01 关于NAND闪存：单位电荷数Bit的变迁

NAND闪存，按照业界一般的理解， 本质上是一种长寿命的非易失性(在断电情况下仍能保持所存储的数据信息)的存储器，其中非易失性的突出特点，使得这种基于通断电存储的介质能够长久的保存数据，最终使得NAND闪存颗粒走向了前台；其实，熟悉闪存的朋友，可能还听过另一个词，即Dram颗粒，即动态随机存取存储器，同样是基于通断电的特性，只不过DRAM芯片的每次存储数据的过程中需要对于存储信息不停的刷新，无法实现长久存储，因而错过了这次“C位出道”的时机。

三星原厂NAND闪存颗粒

NAND闪存工作的原理是通过单位NAND内部电荷数Bit的通电和放电，实现对数据的存储。基于无机械结构的电荷存储优势，NAND闪存技术能够提供包括高性能、稳定、耐摔耐磕碰、一体成型故障率低等多种特点，迅速成为了各家存储厂商研发的重点。

因而，为了进一步提升NAND闪存容量，满足用户对于大容量存储的需求，在以三星、东芝、Intel等领先的NAND原厂推进下，研发出了不同电荷数Bit的多种NAND颗粒，即为SLC(1bit）、MLC（2bit）、TLC(3bit)、QLC(4bit)以及处于实验阶段即将量产的PLC（5bit）等类型。

不同颗粒类型的bit数分布

可随着单位电荷数Bit的堆叠，带来了两个后果，一是单位电荷Bit的增加对于半导体工艺制程的要求越来越高，从50nm制程一路升级到14/15/16nm制程，半导体制程工艺越来越无法满足更多单位电荷数Bit的堆叠了；二是单位电荷数Bit的堆叠，会在狭小的NAND闪存内部产生大量的干扰电流，严重影响闪存产品的性能和寿命。

02 三星V-NAND技术：从平面到垂直的创新性探索

为了解决单位堆叠的带来的电荷干扰问题以及半导体工艺的瓶颈，三星创新性的提出了在原有制程的基础上将NAND闪存以3D堆叠的形式，封装在NAND闪存之中，一方面解决了在平面的狭小空间内多个电荷数排列产生的电子干扰问题，保证了产品的质量和性能；

全球首款V-NAND技术产品

更为重要的是，解决了工艺制程无法推进容量提升的瓶颈，用3D堆叠替代2D平面排列，让NAND闪存以垂直的形式进行排列，进而提升了总体的容量。

V-NAND和普通2D NAND

朴素的理解就是，此前的NAND闪存就像在单位面积的地基上盖平房，平房的容积是恒定的，要想提升入住人口，只能无下限的降低单位容积率，其后果就是制造工艺和电磁干扰；

而V-NAND技术诞生之后，2D的平房变成了3D垂直的楼房，理论上只要高度不限制，单位面积的地基上的可利用容积几乎等同于无限，即避免了制程工艺的瓶颈又解决了电磁干扰的问题。

01 V-NAND技术是三星970EVO Plus强劲性能的有力支撑

三星V-NAND技术从2013年引入市场，便引发了全行业的关注，从初代的32层（即在单位面积上的堆叠层数）到后续的64层，直到9X层，根据公开消息，三星V-NAND技术或将提升到200+层堆叠，最大限度的提升单位闪存的利用率。

而笔者手中这款三星970EVO Plus便是采用三星全新V-NAND技术研发的旗舰级产品，基于V-NANDND技术在容量和稳定性上巨大优势，搭配着三星自研的Phoenix主控，使得三星970EVO Plus的性能实现了超越。

根据官方提供的数据，三星970EVO Plus最大读取性能达到了3500MB/S，最大写入性能也达到了3300MB/S，几乎达到了消费级固态硬盘的巅峰水准。作为一款推出了数年的旗舰级固态硬盘，在即将踏入存储新纪元的当下，依旧没有任何一款同级别的PCIE3.0固态能够在性能上实现对970EVO Plus的绝对超越。

实测性能

这背后的原因，无外乎三星在V-NAND技术上的近十年的积累，以及在此基础上进行的主控配对和优化。

多说一句，随着PCIE4.0时代的来临，三星也将在新世代推出旗舰级980PRO固态硬盘，进而延续PCIE3.0时代的行业地位，可以预见的是，980PRO固态硬盘依旧会在V-NAND堆叠、主控性能方面实现大跨越的升级，至于三星970EVO Plus则还是会成为PCIE3.0世代下的王者存在。

烧钱有用！长江存储打入Mate40供应链，是芯片内循环风向标

【文/科工力量专栏作者 铁流】

11月18日，长江存储首席执行官杨士宁在2020年北京微电子国际研讨会暨ICWORLD学术会议上表示，虽然长江存储的64层3D NAND只是第一个产品，但是这颗产品已经做到了Mate40的旗舰机里面，在会议上，杨士宁还称长江存储的NAND是“出道即巅峰”。有鉴于过去几年美国政府在半导体技术上对我国进行围堵，以及国产半导体厂商实力的稳步提升，内循环已然是大势所趋，国内整机厂商和半导体产业链彼此协同合作会越来越紧密。

发展半导体产业必须自主研发

在拜登有望当选美国下一任总统之后，全球媒体给拜登谄媚。在我国诸多企业被特朗普制裁，且至今未能被移出黑名单之际，清华大学微电子所所长魏少军就在大会上呼吁：“中国半导体火热的有点过头，有点不像话。我们要防止极端主义和封闭思想，不能用代替思维作为发展的主旋律，主旋律应该是开放、合作”，铁流认为，这种观点这未免过于一厢情愿了。

先不提拜登是否会把特朗普的政策全部废除，单从过去几年的实践来看，半导体产业技术引进满地是坑，发展半导体产业必须自主研发。

过去几年，国内企业从IBM、ARM、高通、格罗方德、联电、TowerJazz等厂商引进技术，虽然投入了巨资，但这些引进项目结果并不理想：从IBM引进技术的宏芯曾经闹出欠薪风波，与ARM合资的ARM中国闹出换帅风波，购买ARM授权的麒麟芯片因制裁而绝版，从高通引进技术的华芯通则直接关门，与格罗方德合资的成都格芯在停摆2年后只能找接盘侠，从TowerJazz、东芝等厂商引进技术的德淮/德科码也陷入休克，晋华则也陷入联电和镁光的知识产权纠纷......上述很多都是投资几十亿、上百亿的项目，之所以最后惨淡收场，和技术引进有着密切的关系。

相比之下，长江存储则依靠自主研发，用短短3年时间实现从32层到64层再到128层的跨越，3年完成国外大厂6年走过的路。其实，早年紫光也尝试过技术引进，试图收购或入股镁光、闪迪、SK海力士等厂商，但这些尝试均无疾而终。在海外收购频频碰壁的同时，紫光在境外持续高薪寻找优秀的人才，并严格遵守国际商业的道德规则，“只带人不带文件”，坚持“自己的技术要靠自己研发”，紫光集团还聘请了在中国台湾省有“存储教父”之称的高启全。在整合两岸技术团队之后，长江存储开启了自主研发之路，并在2017年完成32层NAND的小批量生产，在2019年完成了64层NAND量产。

值得一提的是，长江存储独创的Xtacking架构具有一定比较优势。其64层的3D NAND得益于Xtacking技术，使得产品开发时间缩短三个月，生产周期可缩短20%，NAND I/O速度大幅提升到3.0Gbps，比传统3D NAND拥有更高的存储密度。这使得长江存储的64层的3D NAND单位面积的存储密度可以接近国际大厂的96层3D NAND。下一步，长江存储会跳过96层NAND，直接研发128层NAND（公开信息显示，长江存储已经推出128层NAND——科工力量注），届时，国产存储芯片与国外大厂产品的技术差距会进一步缩短。

从华芯通、德淮/德科码、成都格芯、晋华等案例来看，在当下这个大环境下，与外商合作或并购的技术引进模式很难走通，与其并购或技术合作，不如直接挖人，组建自己的团队自主研发。毕竟，技术是随着人走的，人才是一家半导体企业最宝贵的财富。实践证明，合资或购买授权的技术引进路线是走不通的，所谓的“融入国际主流”只是依赖洋技术的遮羞布，即便是华为这样的明星企业也要遭遇麒麟芯片绝版的窘境。发展半导体产业要以自主研发为主，即便是进行合作，挖人也是优于购买授权或合资的选项。

市场份额与外商差距明显 设备原材料受制于人

诚然，长江存储的64层3D NAND被用于Mate40值得庆贺，但长江存储在技术上和商业上与外商的差距还是比较明显的。就商业市场份额而言，日韩厂商依然处于优势地位。

在2020年第三季度，三星NAND存储芯片收入为48.5亿美元，市场份额达到33.3%，恺侠的NAND存储芯片业务营收为31.1亿美元，市场份额21.4%，西部数据NAND存储芯片业务营收20.8亿美元，市场份额为14.2%。SK海力士NAND存储芯片业务营收16.5亿美元，市场份额为11.3%，镁光NAND存储芯片业务营收15.1亿美元，市场份额为10.3%。相比之下，长江存储的产能仅占全球NAND总产能的1%。就技术水平而言，长江存储目前商业化量产的为64层3D NAND（TLC），128层NAND还未商业化量产。作为对比，镁光已经推出176 层 NAND。国产NAND想要实现逆袭还有很长的路要走。

必须指出的是，长江存储在原材料、设备等方面对外商有较大依赖，在实现不被卡脖子方面依然任重道远。在半导体设备上，西方厂商占据垄断性地位，国内设备商只占据市场5%左右的份额，短期想要打造先进工艺全国产化生产线的难度非常高，这并非是一两家企业的问题，而是整个行业乃至工业基础上存在差距。这不是行政指导定几个指标就能实现的，必须十年如一日兢兢业业搞研发，才有希望循序渐进，一步一个脚印提升设备的国产化水平。

另外，购买到设备并非一劳永逸，正如大家的汽车在使用中需要保养，这些高端大气上档次的半导体设备，也是需要持续“保养”的，国外设备大厂都会有技术人员驻工厂提供技术支持，一旦国际局势风云突变，外商会撤走所有技术支持，晶圆厂会陷入非常尴尬的境地，这方面最典型的例子就是福建晋华。当下，国内企业最需要的是时间，低调做事，以十年为单位逐渐提升生产线的国产化水平。

此前，《日经亚洲评论》报道，长江存储准备将国内设备替代率从30%提高到70%。之后，长江存储回应称，没有设定国产设备比重目标。铁流认为，就实现设备国产化替代而言，是当下必须做的，比较合适的方式的循序渐进。长江存储之所以否认，主要是怕这种数字化指标受人诟病，容易引来西方政客的关注，进而引火烧身。

虽然长江存储在技术上和市场上与外商具有差距，但能够在量产存储芯片的同时，又努力提升设备的国产化水平，堪称低调干事、实业报国的典范。

结语

不久前，紫光集团13亿债券违约，评级被下调，很多媒体纷纷唱衰。这主要是因为紫光摊子铺得太大，芯片又太烧钱。

相对于那些“芯骗”项目，紫光是为数不多的实干企业，在手机芯片上有展锐，NAND方面有长江存储，在DRMA方面有西安紫光国芯，FPGA方面有紫光国微......而且都取得了一定成绩。摊子铺的大的结果就是异常烧钱，而芯片恰恰是投资周期漫长的产业。从历史上看，韩国三星、SK海力士等厂商就曾经亏损近20年才超越日本存储芯片厂商，长期的亏损是半导体产业后来者所必须经历的，数年前，赵伟国就表示计划筹集3700亿元为未来5年准备充足的“弹药”，显然是对此有着深刻的认识。其实，早些年的京东方也如此，甚至被一些人调侃为“A股亏损王”。相信随着时间的推移，紫光也能像京东方那样逐渐走出来，为实现芯片的国产化替代贡献力量。

紫光的债务问题主要还是因为摊子铺的太大，且芯片太烧钱，而追赶国外芯片寡头的又太过艰难，很多时候紫光做出了芯片，却因为成本、性能、品牌等方面的因素，不被下游厂商采购，这使得紫光投资的芯片项目造血功能暂时有限，只有特定市场的企业才会采购紫光的芯片。其实，在长江存储的64层3D NAND被用于Mate40之前，国内厂商就以龙芯和申威CPU研发SSD主控芯片，然后配合长江存储的存储芯片开发完全国产化的固态硬盘，只不过这种SSD主要用于特定市场，在商业市场很难看到而不为人所知。

本次，长江存储的64层3D NAND被用于Mate40的旗舰机里面则是一个非常好的信号。对于华为等国内厂商而言，由于美国制裁的影响，必然会越来越重视可以实现内循环的芯片供应商，特别是在麒麟芯片绝版，荣耀手机出售给深圳国资之后，展锐的SoC，长江存储的NAND等芯片都有可能列入华为或荣耀的备选项中。联想、小米、OPPO、VIVO等厂商也可能会跟进。未来，国内半导体产业链彼此协同合作会越来越紧密。相信有朝一日，国人会自豪的说，应该给特朗普一吨重的勋章，以表彰其在中国芯片国产化替代方面的“贡献”。

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