NAND Flash层数之争：谁先触抵天花板？

得益于5G、大数据、云计算、物联网、人工智能等新兴产业的快速发展，存储器需求呈现倍数增长，发展空间广阔。其中，NAND Flash作为半导体存储器第二大细分市场，自然也备受关注。

回溯NAND Flash的历史

经历了半个世纪发展的半导体存储技术，如今已逐渐成熟，其衍生出的存储技术中包括Flash技术。

Flash技术分为NAND Flash和NOR Flash二种。虽然NOR Flash传输效率很高，但写入和擦除速度很慢，容量也较小，一般为1Mb-2Gb，常用于保存代码和关键数据，而NAND Flash能提供极高的单元密度，可达到高存储密度，适用于大量数据的存储。NAND Flash具有写入、擦除速度快、存储密度高、容量大的特点，也因此迅速成为了Flash主流技术。

NAND Flash技术自问世以来，已经积累了近40年的发展底蕴，并已成为存储器第二大细分市场。按存储单元密度来分，NAND Flash可分为SLC、MLC、TLC、QLC等，对应1个存储单元分别可存放1、2、3、4bit的数据。目前NAND Flash主要以TLC为主，不过QLC比重正在逐步提高。

值得一提的是，被提出很多年但一直没有商用落地的PLC终于露出水面。

今年8月初，SK海力士旗下NAND闪存解决方案提供商Solidigm在闪存峰会上展示了全球首款正在研发的PLC（五层单元）SSD。与QLC（四层单元）SSD相比，PLC SSD可在每个存储单元内存储5bit的数据。

NAND闪存从SLC、MLC、TLC、QLC及PLC一路走来，容量逐步上升，可市场更关心的是性能、可靠性、寿命、成本等问题是否也可以跟着优化。据Solidigm介绍，在相同的空间内，使用PLC SSD存储数据量可增加25%，可以用来解决固态存储未来的成本、空间和能耗等问题。该款SSD将首先用于数据中心产品，具体发布和上市时间待定。

从闪存结构来看，为满足各时期的市场需求，NAND Flash技术已从2D NAND升级到3D NAND，再到4D NAND。

时光追溯到1987年，时任日本东芝公司工程师岡本成之提出的一项发明彻底改写了人类信息时代的面貌，即2D NAND。当时东芝（2019年更名为铠侠）虽占据NAND Flash市场先机，但东芝战略重心偏向DRAM市场，忽略了NAND Flash的发展潜力。之后，英特尔和三星迅速加入市场，推出了2D NAND产品。

随后，全球厂商都围绕着2D NAND进行研发，随着2D NAND的线宽已接近物理极限，3D NAND应运而生 。

2007年，东芝推出BiCS类型的3D NAND。2D NAND的含义其实是二维平面堆叠，而3D NAND，顾名思义就是立体堆叠。3D NAND的到来，让NAND Flash技术直接从二维升华到三维的密度。

按英特尔的说法，2D NAND就像在一块有限的平面上建平房，这些平房整齐排列，随着需求量不断增加，平房的数量也不断增多，可面积有限，只能容纳一定数量的平房。相较于2D NAND，3D NAND则可以在同一块平面上建楼房，楼层越高，容量也就越大，在同样的平面中楼房的容积率远远高于平房，提供了更大的存储空间。可见，随着市场对存储性能需求的提升，2D NAND过渡到3D NAND是大势所趋的。

3D NAND自2007年进入大众视野后，2014年正式商用量产 。

2013年，三星推出第一代V-NAND（三星自称3D NAND为V-NAND）闪存。据三星介绍，V-NAND技术采用不同于传统NAND闪存的排列方式，通过改进型的Charge Trap Flash技术，在一个3D的空间内垂直互连各个层面的存储单元，使得在同样的平面内获得更多的存储空间。虽然该款堆叠层数仅为24层，但在当时却打破了平面技术的瓶颈，并使3D NAND Flash从技术概念推向了商业市场。

2014年，SanDisk和东芝宣布推出3D NAND生产设备；同一年，三星率先发售了32层MLC 3D V-NAND，这也意味着3D NAND正式商用化。继三星之后，美光也实现了3D NAND商用化。凭借其在容量、速度、能效及可靠性的优势，3D NAND逐渐成为行业发展主流。

3D之后，4D NAND悄然来临 。SK海力士在2018年研发的96层NAND Flash已超越了传统的3D方式，并导入4D方式，该款也成为了全球首款4D NAND Flash。

据了解，4D NAND技术是由APlus Flash Technology公司提出，其技术原理是NAND+类DRAM的混合型存储器，采用了“一时多工”的平行架构，而3D NAND只能执行“一时一工”。若一到十工同时在4D闪存系统执行时，其速度会比3D NAND快一到十倍。虽然相比3D方式，4D架构具有单元面积更小，生产效率更高的优点。不过，目前市面上还是以3D NAND为主。

从平房到摩天大楼，各大原厂的谋略

随着应用领域和使用场景愈发多样化，市场对NAND Flash的要求也随之提升，譬如想要更高的读写速度、最大化的存储容量、更低的功耗和成本等。可采用二维平面堆叠方式的2D NAND已经不再能满足市场的需求，这一切也促使NAND厂商必须谋定而后动，之后便沉下心来埋头研发，NAND Flash结构也从平房蜕变到摩天大楼。

采用三维平面堆叠方式3D NAND虽大大增加了存储空间，但如何突破3D NAND层数瓶颈，堆叠更高的摩天大楼，一直是市场的焦点，也是NAND厂商研发的痛点。在此之下，一场有关NAND Flash的层数之争已持续数年，NAND厂商早已吹响冲锋集结号，这一路也取得了不少的成就。

自2012年24层BiCS1 FLASHTM 3D NAND Flash之后，铠侠还研发出了48层、64层、96层、112层/128层。2021年，铠侠联手西部数据突破162层BiCS6 FLASHTM 3D NAND Flash。今年5月，西部数据与铠侠未来的路线图指出，预计2024年BiCS+的层数超过200层，如果一切按计划进行，2032年应该会看到500层NAND闪存。

最早在3D NAND领域开拓疆土的是韩国厂商三星。2013年8月，三星推出V-NAND（3D NAND）闪存，这也是全球首个3D单元结构“V-NAND”。之后，三星还陆续推出了32层、48层、64层、96层、128层、176层的V-NAND。2021年末，三星曾透露正在层数200+的V-NAND产品，目前暂未披露相关信息。

作为韩国第二大存储厂商的SK海力士也不甘落后，在2014年研发出3D NAND产品，并在2015年研发出36层3D NAND，之后按照48层、72层/76层、96层、128层、176层的顺序陆续推出闪存新产品。2022年8月3日，SK海力士再将层数突破到238层的新高度，该层数是当前全球首款业界最高层数NAND闪存，产品将于2023年上半年投入量产。

2016年，美光发布3D NAND，虽然发出时间晚于三星等上述几家厂商，但后期美光的研发实力不容小觑。在2020年美光抢先推出当时业界首款176层3D NAND，后又于2022年7月率先推出全球首款232层NAND，该产品现已在美光新加坡工厂量产。美光表示，未来还将发力2YY、3XX与4XX等更高层数。

目前从原厂动态来看，SK海力士和美光率先进入200+层时代，其中NAND闪存业界最高层数为SK海力士的238层，其次是美光的232层。主流技术NAND Flash 3D堆叠层数已跨越176层、232层、迈进238层，未来原厂还将发力200+层、300层、400层、甚至500层以上NAND技术。

在2021年IEEE国际可靠性物理研讨会上，SK海力士预测，3D NAND未来将达到600层以上。另有一些行业专家认为，3D NAND可以堆叠到1000层。可见，隔NAND Flash技术的天花板还有很高的距离。

△Source：全球半导体观察根据公开信息整理

NAND Flash未来既柳暗，又花明？

此前在5G手机、服务器、PC等下游需求驱动下，NAND Flash市场以可见的速度在增长。可今年，受疫情反复、通货膨胀、俄乌冲突等因素影响，全球形势变化多端。同时，存储器市场供需与价格波动时刻受产业发展动态影响，而作为存储器市场的主要构成产品之一，NAND Flash也不例外。

01、供需失衡

从消费端看，PC、笔电、智能手机等消费电子市场需求疲软，也影响到中上游产业链。其中，智能手机需求萎缩明显，出货量也随之减少。据TrendForce集邦咨询表示，受到传统淡季的加乘效应，使得2022年第一季智能手机生产表现更显疲弱，全球产量仅达3.1亿支，季减12.8%。

业内人士普遍认为，持续下降的最大原因是消费者使用智能手机的时间比以前更长。再加上智能手机技术更新快，新型号手机的性能与之前型号并无特别大的差距，从某种程度上看，这也降低了消费者的购买欲。

从供应端来看，TrendForce集邦咨询7月表示，由于需求未见好转，NAND Flash产出及制程转进持续，下半年市场供过于求加剧，包含笔电、电视与智能手机等消费性电子下半年旺季不旺已成市场共识，物料库存水位持续攀升成为供应链风险。因渠道库存去化缓慢，客户拉货态度保守，造成库存问题漫溢至上游供应端，卖方承受的抛货压力与日俱增。

TrendForce集邦咨询预估，由于供需失衡急速恶化，第三季NAND Flash价格跌幅将扩大至8~13%，且跌势恐将延续至第四季。

02、原厂持坚定信念

受手机与个人电脑等消费电子市场需求疲软等因素影响，美光于6月悲观预测，今年第四财季营收为72亿美元，上下4亿美元浮动，这一数据低于业界预期；又于8月再度下调第四季度业绩指引，该季度经调整营收将位于或低于此前预计的68-76亿美元区间下沿。

此前美光首席执行官Sanjay Mehrotra在财报电话会议上表示，预计智能手机销量将较去年下降约5%，而个人电脑销量可能比去年下降10%，美光正在调整产量增长，以适应需求的减弱。不过，TrendForce集邦咨询8月在最新的研究指出，受到高通胀冲击，全球对于消费市场普遍抱持并不乐观的态度，基于周期性的换机需求以及新兴地区的新增需求带领下，智能手机生产量仍会小幅上升。

SK海力士此前也预测，由于搭载存储器的电脑和智能手机的出货量将低于原来的预测，并且服务器用存储器的需求也因客户的库存优先出货，预计下半年的存储器出货量将有所放缓。不过中长期来看，数据中心的存储器需求将持续成长。

三星、SK海力士、美光、西部数据、铠侠等存储器原厂在最新财报中均表示虽然部分市场需求疲软，但都坚定看好产业未来前景，各原厂保持坚定的信心也为存储器市场扫去部分阴霾。

据TrendForce集邦咨询最新研究显示，NAND Flash仍处于供过于求状态，但该产品与DRAM相较更具价格弹性，尽管预期明年上半年价格仍会走跌，但均价在连续多季下滑后，可望刺激enterprise SSD市场单机搭载容量成长，预估需求位元成长将达28.9%，而供给位元成长约32.1%。

结 语

长远来看，NAND Flash市场前路虽柳暗，但花明。同时，NAND厂商马不停蹄地研发，今年有的再上升一个台阶，有的还在停步研发，最终谁先触抵NAND Flash层数天花板，我们静待观之。

过于关注3D NAND闪存层数可能是一种误导

NAND非易失性闪存存储器作为存储行业的突破性革新已有多年发展历史，随着2D NAND容量达到极限，以及晶体管越来越小，NAND的编程时间变长，擦写次数变少，能够将内存颗粒堆叠起来的3D NAND应运而生，可以支持在更小的空间内容纳更高的存储容量，在需要存储海量数据的时代有着重大价值。

依托于先进工艺的3D NAND，氧化层越来越薄，面临可靠性和稳定性的难题，未来的3D NAND将如何发展？如何正确判断一款3D NAND的总体效率？

图片源自长江存储

在2020年的闪存峰会上，TechInsights高级技术研究员Joengdong Choe发表了相关演讲，详细介绍了3D NAND和其他新兴存储器的未来。TechInsights是一家对包括闪存在内的半导体产品分析公司。

3D NAND路线图：三星最早入局，长江存储跨级追赶

Choe介绍了2014-2023年的世界领先存储公司的闪存路线图，包括三星、铠侠（原东芝存储）、英特尔、美光、SK 海力士和长江存储等公司的3D NAND技术发展路线。

Choe给出的路线图显示，三星电子最早在3D NAND开拓疆土，2013年8月初就宣布量产世界首款3D NAND，并于2015年推出32层的 3D NAND，需要注意的是，三星将该技术称之为V-NAND而不是3D NAND。

之后，三星陆续推出48层、64层、92层的V-NAND，今年又推出了 128层的产品。

SK 海力士稍晚于三星，于2014年推出3D NAND产品，并在2015年推出了36层的3D NAND，后续按照48层、72层/76层、96层的顺序发展，同样在今年推出128层的3D NAND闪存。

美光和英特尔这一领域是合作的关系，两者在2006年合资成立了Intel-Micron Flash Technologies（IMFT）公司，并联合开发NAND Flash和3D XPoint。不过，两者在合作十多年之后渐行渐远，IMFT于2019年1月15日被美光以15亿美元收购，之后英特尔也建立起了自己的NAND Flash和3D XPoint存储器研发团队。

另外，在路线图中，长江存储于2018年末推出了32层的3D NAND，2020年推出了64层的3D NAND。

从路线图中可以发现，从90多层跨越到100多层时，时间周期会更长。

相较于其他公司，国内公司3D NAND起步较晚，直到2017年底，才有长江存储推出国产首个真正意义上的32层3D NAND闪存。不过长江存储发展速度较快，基于自己的Xtacking架构直接从64层跨越到128层，今年4月宣布推出128层堆栈的3D NAND闪存，从闪存层数上看，已经进入第一梯队。

近期，长江存储CEO杨士宁也在2020北京微电子国际研讨会暨IC World学术会议上公开表示，长江存储用3年的时间走过国际厂商6年的路，目前的技术处于全球一流水准，下一步是解决产能的问题。

值得一提的是，在中国闪存市场日前公布的Q3季度全球闪存最新报告中，三星、铠侠、西部数据、SK 海力士、美光、英特尔六大闪存原厂占据了全球98.4%的市场份额，在剩下的1.6%的市场中，长江存储Q3季度的收入预计超过1%，位列全球第七。

层数并非唯一的判断标准

尽管在各大厂商的闪存技术比拼中，闪存层数的数量是最直接的评判标准之一。

不过，Choe指出，大众倾向于将注意力集中在闪存层数上可能是一种误导 ，因为字线（带有存储单元的活动层）的实际数量会有很大的不同，例如可以将其他层作为伪字线，以帮助缓解由较高层数引起的问题。

Choe表示，判断3D NAND工作效率的一种标准是用分层字线的总数除以总层数，依据这一标准，三星的拥有最优秀的设计，不过三星也没有使用多个层或堆栈，不像其他厂商当前的闪存那样使用“串堆栈”。

一种提高3D NAND总体效率的方法是将CMOS或控制电路（通常称为旁路电路）放置在闪存层下面。这一方法有许多名称，例如CuA（CMOS-under-Array）、PUC (Periphery-Under-Cell), 或者 COP (Cell-On-Periphery)。

长江存储的设计有些特别，因为它有一些电路在闪存的顶部，而CMOS在连接到闪存之前，是在更大的工艺节点中制造的。Choe认为这种技术有潜力，但目前存在产量问题。

另外，各个公司使用工艺也不尽相同，比较典型的就是电荷撷取闪存技术（Charge trap flash，简称CTF）和传统浮栅存储器技术（Floating gate，简称FG）。

CTF使用氮化硅来存储电子，而不是传统FG中典型的掺杂多晶硅。具体而言，FG将电子存储在栅极中，瑕疵会导致栅极和沟道之间形成短路，消耗栅极中的电荷，即每写入一次数据，栅极电荷就会被消耗一次，当栅极电荷被消耗完时，该闪存就无法再存储数据。而CTF的电荷是存储在绝缘层之上，绝缘体环绕沟道，控制栅极环绕绝缘体层，理论而言写入数据时，电荷未被消耗，可靠性更强。

Choe指出在当前的存储芯片公司中，英特尔和美光一直使用的是传统的浮栅级技术，而其他制造商则依靠电荷撷取闪存设计 。美光直到最近发布176层才更换新的技术，英特尔的QLC在使用浮栅技术的情况下，可以保持更好的磨损性能，但这也会影响其闪存的耐用性、可靠性、可扩展性以及其他性能优势。

下一个十年将指向500层

Choe在演讲中提到，铠侠未来将用到的分离栅结构或分离单元结构技术也很有趣，它可以使存储器的密度直接增加一倍，并且由于分离单元结构的半圆形形状而拥有特别坚固的浮栅结构，具有更强的耐用性。

Choe预计，随着平台或堆栈数量的增加（目前最多为两个），闪存层数将继续增加，每个闪存芯片的存储量也会相应增加。Choe认为，这与其他技术，例如，硅通孔（TSV），叠层封装（PoP / PoPoP）以及向5LC / PLC的迁移一样，都在下一个十年指向500层以上和3 TB裸片。

另外，Choe详细说明了闪存的成本是按照每GB多少美分来计算的，这意味着未来3D闪存的架构将越来越便宜，不过2D闪存的价格依然昂贵，甚至比3D闪存贵很多倍。

谈到尖端闪存技术的推进，Choe认为尖端闪存总是首先进入移动和嵌入式产品，例如5G手机是当下的主要驱动力。他还指出，2D平面闪存仍然有一些应用市场，通常将其视为低延迟SLC用作3D XPiont的存储类内存（SCM）的替代品，如Optane或美光最近发布的X100，尽管X100在消费市场并不常见。

目前，100层以上的3D闪存产品，目前已经发布了SK 海力士128L Gold P31和三星128L 980 PRO，美光最近也基于176L flash发布了Phison E18的硬盘原型。另外，西部数据和铠侠的BiCS5和英特尔的144层产品将在明年发布。

更好的控制器需要更高密度的闪存，未来几年闪存将向更快和更大容量的方向发展。

本文编译自：https://www.tomshardware.com/news/techinsights-outlines-the-future-of-3d-nand-flash

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