浅谈3D-NAND、QLC和SCM介质技术和新产品

Hardy 架构师技术联盟

NAND Flash技术的发展完全沿着技术演进、商业价值和需求匹配的车辙在不断行驶。诸如SRAM，DRAM，EEPROM等 产品和技术。在每个存储器单元存储一位的二进制数据的NAND Flash 技术被称为单级单元(SLC)。但是由于SLC在容量和价格等原因，促使MLC、eMLC及TLC这三种闪存颗粒 迅速发展起来，关于Flash颗粒介绍请参考文章“闪存技术最全面解析”。

NAND Flash在应用普及和全面替换HDD遇到最直接的一个问题还是价格，从SLC、MLC到TLC一直才寻求价格的平衡点，尽管TLC能够解决SSD容量瓶颈，却还是不能完全解决SSD价格的难题。大容量SSD仍旧昂贵，小容量SSD+大容量便宜HDD的混合存储解决方案也层出不穷，但在体验上终究没有单纯大容量SSD来得好。目前来看，TLC还是相对来说在性能和价格方面平衡不错的方案，再说随着容量的增加、技术的改善，TLC闪存的擦写次数逐渐等到优化，也并没有想象中那么容易失效 。

结合实际应用发现，SSD在处理数据写入时，每次都写到新的物理地址，从而使得所有的闪存物理空间被均匀使用。假设一块600GB的SSD，其闪存介质写次数为1万次，那么该SSD可以写入的数据总量达到6PB(600GB*10000)；在实际企业级环境中的硬盘，整个生命周期的写入数据总量远小于200TB，这意味着这块600GB的SSD使用10年以上。

技术永远无法脱离实际应用，TLC颗粒在3D-NAND Flash的产品应用非常广泛，先后出现了32，64，72，96层的基于TLC的3D NAND Flash产品 ，起初这些TLC产品只要应用在消费级产品，但目前很多存储厂商已经把TLC颗粒引入企业级存储产品。下面我们看看主流3D-NAND Flash厂商(三星、东芝、WD和SK Hynix 四大厂商)的新产品和动态。

东芝(Toshiba)携手SanDisk 研发出全球首款采用堆栈 96 层制程技术的TLC 3D NAND Flash 产品，且已完成产品试作。该款堆栈 96 层的 3D NAND试制品单颗芯片容量为 256Gb(32GB)，预计于 2017 年下半年送样、2018 年开始进行量产，主要用来抢攻数据中心用 SSD和PC桌面SSD等市场。

三星在 3D NAND Flash一直处于领先地位，在去年就发布64 层 3D NAND 。但前不久SK Hynix 推出第四代 72 层的 3D NAND 进入量产，主要用于行动设备，并已交货给客户。韩国对3D NAND Flash技术和市场的控制力是不容忽视的。

Intel发布了新一代SATA SSD 545s产品 ，采用64层堆叠闪存的SSD取代去年的SSD 540s，当时Intel自己的3D堆叠闪存技术还不成熟，所以采用了SK海力士的16nm TLC和慧荣主控SM2258。SSD 545s采用的是Intel第二代3D TLC闪存颗粒(Intel的第一代3D闪存是32层堆叠)，64层堆叠设计，具有浮动栅极存储单元，单颗容量256Gb(32GB)。SSD 545s的主控采用了升级版慧荣主控SM2259，加入了对端到端数据保护和ECC的支持(主控SRAM和外部DRAM均有)，同时搭配Intel定制固件 。支持每天0.3次全盘写入，终生写入量288TB。

为了延长SSD磨损寿命，多数厂商提供容量超配 。例如一块100GB容量的SSD，其内部的闪存颗粒的物理容量是大于100GB，企业级SSD一般可以达到128G或者更多，超出的那部分就被称为冗余。或者采用较好的部件，如更好的颗粒、更好的控制芯片 ，提供强力的LDPC纠错算法等 ，但是SSD寿命并非单纯取决于闪存的类型，而是多个因素综合作用的结果。

闪存介质中，保存数据的基本单元被称为Cell。每个Cell通过注入、释放电子来记录不同的数据。电子在Cell中进出，会对Cell产生磨损；随着磨损程度的增加 ，Cell中的电子出现逃逸的概率会不断增加，进而导致Cell所保存的数据出现跳变。例如某个Cell最开始保存的二进制数据是10，一段时间后再读取该Cell，二进制数据可能就变成了11。因为闪存中保存的数据有一定的概率出现跳变，因此需要配合ECC算法(Error Correcting Code)来使用，SSD内部需要有ECC引擎进行数据检错和纠错 。

写入SSD颗粒数据时，ECC引擎基于原始数据计算出冗余数据，并将原始数据和冗余数据同时保存 。从SSD读取数据时，原始数据和冗余数据一并被读出，并通过ECC引擎检查错误并纠正错误，最终得到正确的原始数据。

闪存所保存的数据出现跳变的数量，随着擦写次数的增加而增加 。当擦写次数达到一定的阈值后，闪存中保存的数据出现跳变的数量会增大到ECC引擎无法纠正的程度，进而导致数据无法被读出。这个阈值就是闪存的最大擦写次数 。

在SSD领域，当前标准的ECC算法是BCH算法(以三位作者的名字首字母命名)，可以满足绝大多数SSD的纠错需求。大多数产品中，闪存介质所宣称的最大擦写次数，就是基于BCH算法来给出 的，但是BCH算法的纠错数据位比较有限，所以目前纠错能力更强的算法也被应用，如LDPC(Low Density Parity Check Code) 是一个纠错能力很强的算法，可以纠正更多的数据跳变。

SLC、MLC及TLC这三种闪存芯片，大家都很清楚，但接下来QLC闪存芯片要开启它的逆袭之路，而东芝和西数已经率先做出表率 ，目前主要针对智能型手机(如iPhone等)、平板计算机和记忆卡市场。

东芝今后也计划推出采用堆栈 96 层制程技术的 512Gb(64GB)3D NAND 产品以及采用全球首见的QLC(Quad-Level Cell)技术的 3D NAND 产品 。该款QLC试作品为采用堆栈 64 层制程技术，实现业界最大容量的 768Gb(96GB)产品，已经提供给 SSD 厂、控制器厂进行研发使用。

西数全球首发了96层堆栈的3D NAND闪存，其使用的是新一代BiCS 4技术(预计下半年出样，2018年开始量产)，除了TLC类型外，其还会支持QLC ，这个意义是重大的。西数已经用实际行动表明会支持QLC，而接下来三星、Intel、SK Hynix等厂商也势必会跟进(目前还没有正式公布QLC的进展)，为何厂商会跟进可靠性、寿命比TLC还差的QLC 。

目前来看，QLC闪存单位存储密度是TLC的2倍，单颗芯片可达到256GB甚至512GB。但是QLC闪存的电压更难控制，写入速度更低，可靠、稳定性及寿命比TLC更差。个人觉得主要的原因是成本和闪存对寿命SSD的不断优化，随着SSD控制对QLC技术优化，也有理由相信QLC跟TLC走同样的路，也有可能被用在企业产品 。

从长远来看，能不能将SSD的价格拉下来，我个人对QLC是寄予厚望的，但具体时间目前却无法预知，从TLC到QLC的技术过度 需要时间，需要双倍的精度才能确保足够高的稳定性、寿命和性能。如果参考TLC的历程，价格优势更难在短期内体现出来，QLC大批量上市并且明显带动降价节奏的时间也是我所期待的。

对于存储介质的未来除了NAND Flash外，还要有很多技术值得期待。 SCM( Storage -Class-Memory)产品已经出现在大众视野 ，如美光、英特尔自2016年开始量产的3D-Xpoint ，威腾、东芝合作开发的3D-ReRAM 。SCM的读写速度是3D-NAND的千倍，但在产品测试结果显示只有几十倍，这也说明SCM在读写性能上还有较大的提升空间值得期待。然而3D-NAND+类DRAM混合型的4D-NAND集前端高速度DRAM和后端低价大容量的3D-NAND于一身，也将会在容量和性能中找到一个很好的折中点。

紫光与英特尔一纸2年采购密约曝光，掀开千亿存储帝国的野心全貌

一触即发的中美贸易大战，在今天似乎出现了一线转机 ，包括CNBC、《华尔街日报》等美国媒体都报道，特朗普政府放出消息希望中国增加采购美国产的汽车与半导体产品，借此减少中美之间的贸易逆差金额。虽然此一消息并未获得任何一方的证实回应，但美股周一收盘全面大涨，其中道琼指数大涨669点，涨幅2.84%，而以科技股为主的纳斯达克指数涨幅则是更胜一筹，终场上涨227点，涨幅达到3.26%。市场多认为，美股大涨是受到媒体报道中国考虑从美国购买更多半导体的消息所影响。

图丨纳斯达克呈现上涨之势

上周特朗普突然其来的点燃中美贸易战引线的动作，固然引发市场震撼，但必须注意的是，中美双方的谈判其实早已进行很长一段时间，两者之间的相互试探底线、角力拉扯，是谈判必然的历程，不论是中国或美国都不会在毫无准备的情况下展开谈判。

以中美之间的贸易清单来看，半导体显然在其中扮演非常关键的角色， 不只是因为中国高度依赖自美进口半导体芯片产品与相关设备，更因为，美国多家半导体大厂对中国市场的依赖度已经大到无法脱身。

根据美国CBS报道包括高通（Qualcomm）、美光（Micron）对中国市场依赖度都超过50%、 德州仪器（TI）则也超过40%，至于包括赛灵思（Xilinx）、英特尔（Intel）等大厂对中国市场的依赖程度也超过20%水平。

图丨高通近年全球营收中，中国市场占了一半以上

而或许正是因为如此，与其提出其他的贸易谈判条件，此时传出中国考虑增加对美采购半导体消息，之所以会如此受到瞩目、并立即带动股市大涨，就是因为，半导体采购这个选项，正是美国最想要的谈判结果。

但身为全球最大半导体芯片市场、同时也是全球芯片采购金额最大国，中国每年进口芯片金额超过2,000亿美元， 为了不再受制于人，从政府到企业打造自有半导体霸业的企图心不但强烈、而且迅猛。

而高度依赖进口的存储芯片产业，长期受制于人的状态，无疑中国半导体产业的心头上最难受的那根刺，欲除之而后快，也因此，过去几年中国存储芯片产业的投资力道之猛，也是外界有目共睹。

图丨打造“中国芯”

在此其中，紫光集团打造千亿存储帝国的万丈雄心，从武汉、南京相继建立新12寸厂的动作格外引人瞩目，正当所有人期待紫光长江存储宣布成功研发国内第一颗32层3D NAND芯片、等待量产的消息时，紫光存储迅雷不及掩耳的宣布一系列自主品牌的闪存产品问世，着实让所有人都惊呆了。

而这背后，隐藏的是紫光与英特尔一纸2年密约的内幕。

紫光左手研发3D NAND技术，右手采购芯片提前布局品牌渠道

根据供应链透露，2017年紫光旗下的长江存储在埋首3D NAND技术开发同时，也同步和英特尔谈成了一纸采购密约，计划在2018、2019年两年期间，紫光将向英特尔采购 3D NAND芯片，以英特尔大连12寸厂生产的产品为优先。

这纸合约背后象征的意义是，紫光从芯到云的千亿存储帝国布局，已经提前启动，而不会等几年后长江存储的单月十万片产能都开出后才慢慢规划。紫光不只是投入3D NAND核心技术开发，更在终端市场上，提供UFS、eMMC、SSD等产品，打造中国最大的闪存产品供应商。

业界曾开玩笑指出，紫光自己也研发3D NAND技术，却跟英特尔采购，不会是要把英特尔的3D NAND芯片当成是自己的研发成果吧？

以上当然是玩笑话，因为多数人对于商业布局的思考速度，可能还跟不上灵活的紫光。事实上，紫光向英特尔采购3D NAND不但可提前布局渠道，更可增加集团营收，何乐而不为呢！

这纸合约落地后，紫光也启动一系列配套，以最常用的合资手法，与台湾SSD供应商光宝集团成立合资企业，进行SSD产品的生产制造。光宝在2017年9月以4,500万美元成立苏州光建存储，同年12月苏州紫光存储办理增资引进紫光，目前该公司的持股中，苏州紫光持股55%，光宝持股45%。

迅雷不及掩耳地，紫光存储在2018年3月初，就宣布一系列五大闪存产品线问世， 包括eMMC系列、UFS系列、企业级SATA SSD、企业级PCIe SSD，以及消费型P5120 PCIe SSD。

紫光打造一系列闪存产品 要当中国闪存最大制造商

紫光一路以来自制NAND Flash芯片、生产eMMC/UFS/企业级SSD等终端产品，就连当中关键的NAND Flash控制器，紫光也有属于自己的一套战略守则，采取自制IC和对外采购两套剧本同步进行。

紫光的闪存产品中，外购的NAND Flash控制器来自两大供应商，分别为慧荣(SMI)和群联，这两家也是全球除了三星、SK海力士等NAND Flash芯片大厂之外，最主要的两家独立型NAND Flash控制器供应商。

紫光自制的NAND Flash控制器技术，是来自于并购SSD控制器公司得瑞领新(Dera)， 这是一家成立于2015年的新兵，技术团队来自于华为、SST等，成立不到几年，该公司已经火速被紫光收购，成为自制SSD控制器的内部团队。

图丨SSD控制器公司得瑞领新(Dera)

紫光三月初亮相的五大闪存产品中，第一款嵌入式eMMC系列是锁定中高端的手机和平板计算机领域，集成了新一代3D NAND TLC技术， 同时兼具效能、可靠度和成本，涵盖32GB、64GB、128GB等应用领域。

第二款UFS系列是国产品牌中第一个UFS系列的闪存产品，锁定高端旗舰型智能手机和高端平板计算机，提供SSD等级的效能、可靠度，而同时也兼顾便携式产品最在意的低功耗需求，可支持64GB、128GB、256GB等大容量应用。

再者，在SSD产品在线，紫光的策略很显然是着重于数据中心、服务器市场的企业级SSD领域。

推出的两款企业级SSD分别为S6110 SATA SSD和P8130 PCIe SSD，前者是面向基础设施和低成本数据中心升级的需求，后者是锁定高端数据中心和云计算中心领域，全面支持NVMe1.2，较特别的是，该产品是采用紫光自己研发的NAND Flash控制器。

再者是消费型P5120 PCIe SSD，应用在笔记本电计算机，采用M.2封装形式，辅以高纠错能力算法(LDPC)技术，让其中的3D NAND TLC的使用寿命更长，诉求是高性价比。

图丨紫光集团董事长赵伟国

业界分析，紫光的策略要打造从芯片技术，到所有终端产品都一条龙掌握的存储帝国， 这次向英特尔采购3D NAND芯片、布局终端市场，一来是与英特尔战略布局伙伴的思维做考量，二来是紫光亟欲赶快打开渠道市场的任督二脉。

建立品牌、经营渠道是需求时间的积累，紫光不可能等到几年后长江存储的芯片可以大量生产时，才开始耕耘渠道市场。芯片的研发需要时间，但渠道布局可以提前启动，上、下游策略可以独立思考，等到时机成熟再把耕耘的成果做连贯，落实上、中、下游自研、自制、自销的一条龙策略。

英特尔、美光分道扬镳，紫光见缝插针抢到位子

紫光依靠向采购英特尔的3D NAND芯片来提前进入品牌渠道市场，可以先累积品牌的知名度，打开渠道端的任督二脉。再者，紫光与英特尔在3D NAND领域的另类合作，是先培养感情，等待未来技术合作，无论是授权或生产制造等契机，这样推测也十分合理。

英特尔在3D NAND技术的开发上一直是与美光联手，但年初双方宣布散伙，因此未来在3D NAND策略上，英特尔和美光势必各自寻找合作伙伴。

紫光与英特尔关系深厚，且英特尔2015年起将大连12寸晶圆厂从生产处理器芯片改装成3D NAND生产线，搭上中国消费性电子需求蓬勃发展的热潮，业界自然将紫光配对成英特尔在3D NAND领域的新合作伙伴。

然短期内，基于政治因素考量，美国总统特朗普要同意英特尔将核心的3D NAND技术转移给中国企业生产，是有些难度的，特朗普多次阻止中国并购欧美企业，立场已经很明显，何况3D NAND是核心技术。

业界分析，短期内双方要谈到技术授权层次，阻碍会较高，但其他战略上的合作仍是可以进行，例如这次英特尔和紫光的采购合约，就是一例，紫光凭借此合约先练习渠道市场，英特尔也借着紫光的势力打开中国市场，可为合则两利。

不只是与英特尔合作密切，紫光与西部数据WD虽然谈并购不成，但双方也合资了一家公司叫做紫光西部数据有限公司， 而这家合资公司的主要业务是推动大数据存储的生态系统。

可以窥见紫光的行事风格是广阔交友，买卖不成仁义在，虽然与多家国际大厂谈技术授权、并购等都未能成交，但彼此仍是以各种方式维持合作关系，作为未来合作更上一层楼的火苗。

国际并购频碰壁，转向再攻另辟新路

紫光在进军存储产业的初期，其实是想要走海外收购之路。 2015年曾提出以230亿美元收购美光，一次解决DRAM及NAND Flash技术和专利问题，然美光婉拒，业界认为即使同意，美国政府也不会放行美国仅存的DRAM公司被中国企业收购。之后，紫光试图并购西部数据(WD)也未成功，即使是日本存储大厂东芝NAND Flash部门的出售案，也先排除中国企业，对于中国自建存储产业来掌握核心技术的计划是十分忌惮。

海外并购之路在欧美日力阻之下是暂时喊停，但不可否认，这是一条最快也是最安全的捷径。所谓安全是指，在正规并购后，可以合法使用DRAM和NAND Flash专利，免于触及潜在的侵权问题。

既然并购不成，与国际大厂保持合作关系，不啻是一条灵活的策略，而紫光在布局芯片领域上的好伙伴，当属英特尔了。紫光和英特尔一直以来就合作密切，在紫光集团先后收购了展讯、RDA瑞迪科两家公司成立紫光展锐公司后，英特尔也在2014年投入15亿美元入股紫光展锐。

紫光抢先执行增加对美芯片采购 赵伟国堪称神机妙算

而日前中美贸易大战一触即发的态势，无疑是在全球半导体产业抛出一枚深水炸弹。

如多家媒体所报道的内容，传闻中国大陆为了降低对美贸易顺差，向美提议扩大采购美国半导体 ，同时减购韩国、台湾制造的芯片，该策略隐含许多政治角力计算，但对照紫光集团在帮中国打造关键存储器基地的同时，也先一步与英特尔结盟，更大手笔采购3D NAND芯片，紫光董事长赵伟国的“神机妙算”确实让外界印象深刻。

图丨西部数据3D NAND

紫光在存储领域上的发展策略，是中国集成电路产业发展的最典型案例，采自主研发与技术授权/并购两只腿走路，条条路都尝试，观念开放、策略灵活、布局缜密，未来自可请君入瓮。

紫光集团旗下的长江存储投入10多亿美元，研发3D NAND芯片技术将近两年， 按照进度，在2017年底成功研发32层3D NAND芯片技术，下一步是再投入20亿美元量产64层3D NAND技术，缩短与国际大厂三星、东芝、SK海力士之间的差距。

尽管紫光的存储芯片研发已经是中国三大存储阵营中，进度最快的一支，然以这个节奏仍是不够，要技术研发、芯片试产、量产开出都条件逐一到位，确实是稳扎稳打，但如果可以缩短成功之路，当然是再美妙不过。而选择延续过去与英特尔的缘份，进而在存储领域与英特尔结盟，这对于紫光而言，无疑是一着极为漂亮的出手。

赵伟国一开始搞集成电路产业或许图得是周边利益，但越搞越大后，到现在已然是被迫要扛下中国存储产业成败的重责大任，对紫光集团或赵伟国而言，现在必须有没有回头路的决心，一定会努力作、用力干，干出成绩来，毕竟紫光、赵伟国这些关键字已经和中国集成电路产业画上某种等号了！

综观紫光投入存储领域已有三年多，大手笔的投资、战线更拉很长，当仁不让要做中国存储领头羊。几年前紫光董事长赵伟国的非典型高调作风在业界留下不同评价，虽然现在检视成绩单还太早，但紫光在存储领域布局的绵密、细腻程度，背后强大的企图心已然不容忽视。

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