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nand芯片原理 V-NAND到底是个啥？三星970EVO Plus强悍性能的背后

发布时间 : 2024-10-07

作者 : 小编

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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。

存储芯片巨头环伺，中国企业何以破局？

图片来源@视觉中国

文丨芯锂话

12月1日，沉寂许久的A股芯片龙头公司兆易创新股价突然异动，并在接下来两个交易日延续上涨，三日内的涨幅一度超过20%。

对于兆易创新这样市值千亿的巨头公司来说，20%的市值上涨可谓意义重大，究竟是怎样的利好才能撬动如此大的杠杆呢？

就在股价上涨的前一日，兆易创新曾一口气发布了25条公告，抽丝剥茧之后，一则看似不起眼的《兆易创新关于2022年度日常关联交易预计额度的公告》引起了我们的关注。

在这则公告中，除了以往代销长鑫存储产品和向紫光展锐销售产品相关交易外，另有一项巨大的变化：在2022年公司预计从长鑫存储自有品牌采购代工交易额将达到1.35亿美元，逼近代销长鑫DRAM产品的采购金额。

这表明，兆易创新自有品牌的DRAM产品将在2022年大放异彩；同时也意味着，国产DRAM厂商队伍也迎来了一个强有力的队友，在应对国际巨头们的竞争时，也有相对更大的反击力量。

聚焦全球集成电路市场，存储芯片是市场份额最大的品类之一，2020年市场份额接近逻辑芯片。在某些年份内，存储芯片的市场份额更是超过了逻辑芯片，足以说明其是集成电路市场上最有价值的品类之一。

然而，在如此重要的赛道中，我们却鲜有机会在市场中看到国产品牌的身影。

中国是最大的消费电子生产和消费市场，每年对于存储芯片的需求无比庞大。但正如整个集成电路行业一样，国际巨头们近乎垄断了全部的市场份额。

技术封锁之下，国内存储芯片厂商们只能通过不断的技术进步，谋求一条突围之路。

01、国际巨头瓜分核心赛道

存储芯片可谓人类最伟大的发明之一。

在存储芯片技术被发明之前，人类只能使用打孔卡、磁鼓技术、磁芯技术来进行存储，不仅效率低下，而且需要耗费很大的占地空间。直至1966年，晶体管DRAM内存技术的发明，才让人类正式进入了存储芯片时代。

按照产品功能特性，储存芯片共可以分为两大类：一类是易失性存储芯片，断电后存储信息即消失，主要有SRAM和DRAM两种；一类是非易失性存储芯片，断电后存储信息仍留存，主要有ROM、闪存和EEPROM。

纵观整个存储芯片市场，目前主导行业的是DRAM和NAND Flash两大品类。以2020年数据统计，这两大品类合计占比97%，而NOR Flash仅占比1%，其他产品合计占比2%。

DRAM和NAND Flash常见于电子产品中。在电脑中，DRAM就是内存条。在智能手机中，DRAM即是运行内存，现在主流的是8G和12G DRAM产品；NAND Flash即为机身存储，256G、512G、1T即是此类产品。

在DRAM和NAND Flash两个最大子市场上，国际巨头凭借先发优势和技术壁垒处于垄断性地位。

自从英特尔量产DRAM产品以来的51年间，美国、日本、韩国存储芯片企业激烈竞争，目前形成了韩国三星和SK海力士、美国美光半导体寡头垄断的市场格局，三巨头占据了约95%的市场份额。

截止2021年Q1季度，三星、SK海力士、美光半导体分别占据市场约42%、29%和23%的市场份额，留给其他二流、三流厂商的市场空间总共仅有6%。

相对而言，NAND Flash产品在2010年前后才开始大规模商用，起步较晚。

正因此，NAND Flash行业目前市场集中度并没有DRAM那么高，三星、铠侠、SK海力士、西部数据、美光、英特尔六大行业巨头瓜分市场，今年Q3季度，六巨头合计市场份额达96.7%。

不过随着行业的发展，NAND Flash行业或将迎来属于它的“洗牌时代”，目前西部数据正在谋求收购铠侠，如果并购成功，闪存市场格局将重新改写。

显而易见，在DRAM和NAND这两个市场规模最大的存储芯片产品市场中，韩、美、日三国处于垄断性地位，获得了最大头的利润。

对于起步较晚的中国产生而言，想要获得一席之地，必须必备抗衡国际巨头的实力。无论是技术层面，还是产能层面，中国企业都或将面临极其巨大的挑战。

02、来自中国的“挑战者们”

在巨头强力垄断下，中国主流的储存芯片企业大多规模较小，技术水平较国际巨头仍有较大差距。

由于福建晋华在2018年遭到美光半导体的诉讼，因此陷于停摆状态，这让合肥长鑫成为了国产DRAM“全村的希望”。

长鑫以IDM模式生产DRAM产品，目前可量产19nm DDR4和LPDDR4产品，DDR5和LPDDR5技术正在研发中。虽然这个水平距离国际巨头仍然差距很远，但也是国产DRAM企业最顶尖的水平。

目前三星等DRAM巨头的LPDDR5产品已经大量应用于智能手机市场，并成为现有智能手机的主打卖点之一；DDR5产品已经量产，但目前来说从性价比上尚未能大规模替代DDR4，这也是长鑫和国内DRAM企业为数不多的好消息。

与合肥长鑫存在千丝万缕联系的兆易创新，在年内也宣布，由长鑫代工的19nm 4Gb DDR4产品已经量产。在此之前，兆易创新主要代理销售长鑫DRAM产品，未来自有品牌DRAM产品将成为主导。兆易创新预计，在2022年，代销长鑫DRAM产品采购额为1.7亿美元，稳定增长；而自有品牌采购长鑫代工的关联交易将达到1.35亿美元。

除长鑫和兆易创新，西安紫光国芯也能够量产DDR4产品。此外，刚刚在科创板IPO的东芯半导体能够量产DDR3产品，北京君正在收购北京矽成（即美国芯成半导体母公司）之后，也有DRAM产品业务。

在NAND Flash市场上，国产玩家也并不多。

根据存储原理的不同，NAND Flash存储可以分为SLC、MLC、TLC和QLC四大类，从结构上又可以分为2D、3D两大类。

目前，国产NAND玩家多集中于最原始的SLC NAND市场，处于TLC和QLC的国产厂商仅长江存储一家。

据今年九月消息，长江存储128层TLC 3D NAND已经量产，且良率已做到相当水准；128层QLC 3D NAND也已经准备量产。与三星等国际巨头相比，长江存储技术差距正在逐渐缩小。

从整个NAND市场看，SLC NAND占比仅2%。在SLC NAND市场上，韩国企业爱拓科技、台湾地区企业旺宏电子和华邦电子、美国赛普拉斯和美光、日本东芝占据较大份额。

在大陆地区，目前兆易创新、复旦微电、东芯半导体均有SLC NAND量产产品，其中兆易创新产品技术更为领先，已达到行业主流水平。

除此之外，北京君正旗下ISSI在汽车级NAND市场有量产产品，芯天下则通过购买海外SLC NAND晶圆自行封装策略生产相关产品。

03、国内厂商的另类突围路

虽然在DRAM和NAND市场，中国企业的竞争力暂时薄弱一些，但在NOR Flash和EEPROM两个市场上，国内企业实则表现出不俗的竞争力。

由于下游需求端的迅速放量，全球存储芯片巨头的产能已经不足以满足迅速膨胀的市场需求。在这种情形下，国际巨头往往将产能集中于最大市场上利润最高的板块，从而逐渐退出了SLC NAND、NOR Flash和EEPROM这三个利基市场，国产企业也有了崛起的机会。

具体来看，NOR Flash在2020年占据整个存储芯片市场1%的份额。这种存储芯片的应用，主要集中于手机模组、网络通讯、数字机顶盒、汽车电子、安防监控、行车记录仪、穿戴式设备等消费领域，典型应用场景有智能手机中AMOLED面板和TWS耳机。

NOR Flash已经成为存储芯片国产替代的主要战场。

在2020年，全球NOR Flash市场前两位分别为台湾地区企业华邦电子和旺宏电子，第三名即是近年来迅速崛起的兆易创新。目前，兆易创新已量产55nm工艺NOR Flash产品，处于行业内主流技术水平。

除兆易创新外，复旦微电、东芯半导体、普冉股份均已量产55nm小容量NOR Flash产品，芯天下、珠海博雅、武汉新芯和恒烁半导体亦有相关产品量产。

在另一种非易失性存储芯片EEPROM市场上，国产芯力量也正在崛起。

EEPROM产品市场规模虽然较小，但应用十分广泛。小容量EEPROM代表应用领域包括电脑显示器等领域，中容量EEPROM代表应用领域包括手机摄像头模组CCM等领域，大容量EEPROM代表应用领域包括智能电表等。

复旦微电、聚辰股份、普冉股份、珠海博雅均有EEPROM产品，不同企业各有侧重。

据赛迪顾问数据，2018年聚辰股份EEPROM市场份额排名全球第三，在智能手机摄像头模组这一细分市场，聚辰股份市场份额自2016年以来即一直排名全球第一；普冉股份的产品亦主要应用于摄像头模组，2020年出货量为15.79颗，逊色于聚辰股份的17.13亿颗出货量。

复旦微电则在电脑显示器这一细分市场，2020年市场占有率在30%以上。

可以看到，在巨头逐渐退出的存储芯片利基市场上，国产存储芯片厂商们已经通过研发投入和技术进步赢得了更广阔的市场空间。

这些小赛道的意义并不仅仅体现在营收上，更是给起步薄弱的中国存储芯片企业提供了迭代的机会。放眼未来，这些持续迭代的“小公司”中，或许可以诞生出引领行业发展的领先企业，这也是中国存储芯片的一条另类突围之路。

V-NAND到底是个啥？三星970EVO Plus强悍性能的背后

存储芯片巨头环伺，中国企业何以破局？

01、国际巨头瓜分核心赛道

02、来自中国的“挑战者们”

03、国内厂商的另类突围路

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