对比2D NAND,3D NAND闪存有什么优势？

随着近段时间以来，固态硬盘、内存等存储设备的大幅度一致性涨价，影响着存储设备涨价的背后关键性元件闪存颗粒，什么是闪存颗粒，闪存颗粒，又称闪存，是一种非易失性存储器，即在断电的情况下依旧可以保存已经写入的数据，而且是以固定的区块为单位，而不是以单个的字节为单位。根据用途和规格不同，闪存颗粒有很多不同的变种，今天我们主要讨论下什么是3D NAND Flash，以及它有有什么优势。

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3D闪存，顾名思义，就是它是立体堆叠的，与现有的2D NAND(纳米制程技术)截然不同，2D NAND是平面结构而3D NAND是立体结构，3D结构是以垂直半导体通道的方式排列，多层环绕式栅极(GAA)结构形成多电栅级存储器单元晶体管，可以有效的降低堆栈间的干扰。当然，3D NAND闪存也并不是简单的平面内存堆栈，这只是其中的一种，还有VC垂直通道、VG垂直栅极等两种结构。

对于3D NAND闪存的优势，3D NAND FLASH不仅能够增加容量，也可以将成本控制在较低水平。目前，2D NAND工艺逼近物理极限，单位面积存储容量难以继续提高，且可靠性降低，2D NAND向3D NAND转型是业界趋势。

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3D NAND技术是大势所趋，随着市场对于大容量存储设备需求的不断走高，闪存颗粒市场的3D NAND将成为绝对的主流，其更低的成本、更高的容量，带来的是更高的利润率成为各大原厂争相研发3D NAND技术的主要原因。

3D闪存只讲堆叠层数不谈制程工艺的背后

在我们打开一个固态硬盘的产品信息页面时，总是能看到"采用3D NAND闪存"这样的介绍。大家是否想过，为什么3D结构会取代制程微缩成为闪存的发展方向？

15nm制程成为2D与3D闪存的分水岭，在15nm之后闪存不再像CPU那样继续向更先进的10nm、7nm制程迈进。是什么样的原因使得更先进的半导体制程与NAND闪存无缘？现在的3D闪存到底又是什么制程节点制造的？

TLC转折点

各种闪存新技术的出现，本质上都是为了降低每GB容量的成本。NAND闪存相比内存有一个优势，它在一个单元里可以存储多个比特(bit)的数据。这是制程微缩之外的另一种扩容量、降成本手段。当发展到TLC（3bit/cell）后，遇上麻烦了。

闪存单元的FG浮栅结构就像一个可以存储电子的桶，其中容纳的电子数量会影响到闪存单元的读取阈值电压Vth。在TLC中为了表达3比特数据已经需要用到8种不同的阈值电压，如果发展到QLC的4bit/cell结构，更需要区分出16种阈值电压，这就像蝇头小楷一样难以看清。

电子危机

制程微缩的过程进一步加剧了闪存危机，新制程的FG浮栅结构中能容纳的电子总数不断下降，发展到一个非常危险的水平。下图中的红线是过去BCH纠错技术下的可用界限，除非改变闪存结构，否则制程微缩将难以为继：制造出的闪存单元会因为能够容纳的电子数量太少而极其容易出错。

3D闪存架构提出

3D闪存就是攻城狮们找到的新结构出路。早在2007年，东芝就首次提出BiCS三维闪存结构，成功地解决了当代的发展难题。目前市场上在售的固态硬盘几乎全部使用了3D闪存。

3D闪存并不是简单地把闪存单元从平面堆叠成立体状态，而是涉及了基础的结构变化。下图为东芝BiCS三维闪存与传统平面闪存的结构对比。

最终结果使得闪存单元之间的间隙变大、读写干扰得到降低。同时，Charge Trap取代了传统的Floating Gate结构，有力地提升了闪存单元"抓住"电子的能力，降低了漏电速度。

3D闪存的制程信息

很多地方说3D闪存之所以更耐用，是因为使用了更老的制造工艺。这一点其实只适用于初代的3D NAND，40nm的制程使得初代的3D闪存非常昂贵，没有达到扩容量、降成本的初衷。

尽管闪存原厂都不再透露3D闪存的具体制程信息，TechInsights的分析报告还是给出了我们想要的答案：目前的64层堆叠、96层堆叠技术使用的都是19/20 nm制造工艺。

3D闪存的未来

现在3D闪存已经在固态硬盘当中大为普及，未来还会有4D闪存吗？其实4D概念去年就有闪存厂商提出，不过"4D"只是将闪存中的外围电路拿出来，置于存储单元阵列的下方，属于3D工艺的一个小改进。

目前的主流3D闪存拥有64层堆叠层数，东芝在去年率先宣布96层3D TLC。在即将到来的下个节点是96层堆叠与QLC的结合，东芝的96层BiCS4已实现1.33Tb/die的存储密度，如果以8die封装来计算，每个闪存颗粒就可以提供高达1.33TB的海量存储空间，手机和固态硬盘的容量即将迎来又一次爆发式增长。

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