NAND闪存层数之战

文︱ 郭紫文

图︱ 网络

从半导体产业来看，过去一年，芯片短缺诱发了产业链投资扩产的浪潮，资本支出大幅提高，已经动工建设或投产的晶圆厂多达85座。据世界半导体贸易统计组织（WSTS）统计，2021年全球半导体市场规模达到5530亿美元，同比增长25.6%。其中，存储器规模达到1581.61亿美元，增长高达34.6%。作为半导体产业风向标，存储器市场拥有强周期波动属性，进一步细分又可分为DRAM、NAND Flash和Nor Flash三种。

遵循存储器产业周期发展特性，TrendForce集邦咨询等多个机构预测今年NAND闪存采购动能进一步收敛，将进入价格下行周期。然而在西安疫情、原材料污染、地震等黑天鹅事件叠加之下，NAND闪存价格周期已被严重扰乱，不确定性大幅增加。据IC Insights预测，今年NAND闪存资本支出将增长至299亿美元，占据了全球整体集成电路产业资本支出的16%，仅次于晶圆代工领域。

2022年闪存资本支出预测（图源：IC Insights）

拥抱NAND闪存时代

NAND闪存的概念可以追溯到上世纪80年代，而真正步入发展轨道则是从2000年开始。1987年，时任东芝工程师的舛冈富士雄率先提出了NAND闪存概念。而后，东芝（2019年更名铠侠）虽占据NAND闪存市场先机，却由于当时的战略方向及管理问题，全力押注DRAM市场，低估了NAND闪存市场的发展潜力。

2001年，三星拒绝了闪存龙头企业的合作邀请，转而选择独立开发自己的技术。同年，东芝宣布剥离DRAM业务，将阵地转向NAND闪存，但其市场先机已失，与头把交椅失之交臂。次年，三星首款1Gb NAND闪存投入量产，至此开启了长达二十年的闪存市场统治地位。

从NAND闪存市场的角度看，随着2001年以后音乐播放器、数码相机、手机等领域疾速增长，NAND闪存市场需求持续上扬，出货量则以线性趋势持续增加。英特尔、铠侠、西部数据、三星等一系列闪存厂商纷纷加速技术演进和市场布局，以争夺NAND闪存这一新兴市场的主导权。

据微加工研究所所长汤之上隆总结，从WSTS公布的出货量数据来看，NAND闪存的发展大致可以分为三个阶段。2000年至2016年间，NAND闪存出货量呈现线性增长趋势；2016年至2018年，出货量相对稳定；2018年之后，受益于数据中心市场增长，NAND闪存出货量随之增加。

NAND出货金额及出货量（来源：WSTS、EET Japan）

从2D到3D，堆叠层数成为NAND闪存新标准

在2D NAND闪存时代，随着晶体管尺寸不断向下微缩，NAND闪存的存储密度持续提高。当密度提高至一定程度，NAND闪存中存储的电荷数量受限，读写容量也难以进一步提升。而对于存储阵列来说，耦合效应和干扰也是个问题。因此，NAND闪存逐渐从二维平面过渡至三维堆叠结构，从而实现速度、容量和性能的全面提升。

回顾3D NAND闪存的发展，东芝于2007年最早提出了此概念，并表明NAND闪存未来的发展趋势将集中于降低单位bit成本。2013年8月，3D NAND闪存从技术概念走向了商业市场。三星推出了全球首款3D NAND闪存，并投入量产。第一代V-NAND闪存采用了三星电子独创圆柱形3D CTF（电荷撷取闪存）和垂直堆叠技术，虽然只有24层，但却突破了平面技术的瓶颈。反观东芝，其第一款3D NAND（48层）量产产品比三星整整迟到三年。

在3D NAND技术赛跑中，三星长期处于领先地位，截至目前，其3D NAND闪存已经陆续演进至128层。在更多层数的技术迭代中，三星176层NAND预计今年第一季度开始量产，而第8代NAND闪存将于2022年底推出，且将突破200层，达到224层。

从技术演进方面看，SK海力士与美光虽然入局相对较晚，却在技术迭代速度上更胜一筹。现阶段，SK海力士已经推出176层NAND闪存，并预计2025年达到500层，2030年突破800层。在收购英特尔NAND闪存及存储业务之后，预计SK海力士的技术实力将更进一步提升。无独有偶，美光也于2020年底宣布176层堆栈NAND闪存量产计划，领先于三星同堆栈高度的量产进度。铠侠则略逊一等，其BiCS闪存堆栈高度达到162层，采用了铠侠CUA架构，同时还提升了平面密度。

3D NAND路线图（图源：Tech Insights）

从Tech Insights闪存路线图中可以看到，2D NAND闪存以工艺制程演进为评判标准，而迈入3D NAND之后，堆叠层数取代工艺制程成为新的介质进化标准。随着头部企业持续加大3D NAND闪存市场布局，推动技术创新和演进，3D NAND闪存堆栈高度不断突破极限。预计未来几年，200层以上3D NAND闪存市场竞争将愈发激烈。但考虑到技术研发投入与营收利润之间的平衡，预计层数演进速度将逐渐减缓。

更“差”的QLC来了 还是选3D TLC吧

先来讲个恐怖故事吧，不久前三星860 EVO固态硬盘现身，预示着比TLC更“差劲”的QLC即将来到你我身边。那些年我们吐槽过的TLC看来要翻身了，想想再过一两年评论区全是还我TLC，心里真是美滋滋。

虽说TLC闪存从2015年起就逐渐取代MLC，全面普及到消费级固态硬盘市场，但是时至今日都有不少玩家瞧不上TLC硬盘，视之如草芥。理由无外乎TLC速度慢、寿命短、稳定性差。

但是，今天就算你骂我我也要说，TLC才是当朝王道。

当然我们承认TLC确实存在以上的缺点，仅从大家最关心的寿命问题来看，SLC 10万次、MLC 3000-10000次的擦写寿命，纸面上看就比TLC 1000次左右长寿很多。那么这1000次擦写寿命究竟是个什么概念呢？

假设你的硬盘是120G，每天拼命写入50G数据（包含写入放大）。那么按照上面的公式计算，足足有6年的稳定寿命！再考虑到TLC SSD更加便宜的价格、更大的容量选择，即使6年后换新也是超值的。

这并不是TLC称王称霸的唯一理由，2D制程工艺从最初的50nm到现在的15nm，虽然带来了容量提升、成本降低的优势。但生产NAND过程中氧化层越来越薄，可靠性也存在更大风险。

直到有一天工程师们灵光一闪，既然制程工艺很难再有优势，那么我们就简单地堆闪存层数就好啦，于是3D NAND就这样诞生了。

3D NAND是一种闪存形态，依靠3D结构提供更多数量级的额外存储密度。应用于TLC闪存中其成本、容量、性能、可靠性都得到了更优秀的保证。

以今年开始全面发力的东芝 64层3D NAND为例，作为NAND闪存的发明人，东芝自行研发的3D FlASH使用的是BiCS技术。BiCS FLASH?是垂直堆栈的三维(3D)闪存，相比其前一代的先进技术，即二维(2D)NAND闪存，BiCS FLASH?中的存储器单元间隔比2D NAND闪存更大。

这就可以通过增加单次编程序列的数据量来提高编程速度，同时也降低了每个编程数据单元的功耗。另外BiCS FLASH?的宽存储器单元间隔相比于2D NAND闪存而言，降低了单元的耦合性，提高了可靠性。

TLC虽说速度、寿命、稳定性等方面比MLC差，但是更便宜的成本、更大容量的优势是无法忽视的，尤其是今年起64-72层3D闪存的崛起。就像当年MLC从不被接纳到广泛认可，也不正是如此吗？

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