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

发布时间 : 2024-11-24

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。

闪存，正式进入232层时代

昨日晚间，闪存大厂美光正式宣布，公司的232层3D NAND Flash正式量产。

按照美光介绍，这是闪存行业首次跨入两百层。与前几代美光NAND相比，新产品具有业界最高的面密度，可以提供更高的容量和更高的能效，从而为从客户端到云的数据密集型用例提供一流的支持。

“美光的 232 层 NAND是存储创新的分水岭，它首次证明了在生产中将 3D NAND 扩展到超过 200 层的能力，”美光技术和产品执行副总裁 Scott DeBoer 说。“这项突破性技术需要广泛的创新，包括创建高纵横比结构的先进工艺能力、新型材料的进步以及基于我们市场领先的 176 层 NAND 技术的领先设计增强。”Scott DeBoer进一步指出。

除了美光以外，三星和铠侠也都在争先恐后的涌向两百层的闪存。此外，也有报道指出，国内闪存企业长江存储也将跨过一代，直接迈向232层存储。由此可见，属于闪存的新一轮争霸战正式开打。

美光“层数”的率先突破

在闪存堆叠的早期，韩国巨头三星一直是领先者。但美光却在后续的发展中迅速追上，并终于在176层闪存上实现了完美超越。而这次232层NAND Flash的量产，更是将美光的领先优势进一步扩大。

从原理上看，3D NAND Flash是通过在垂直堆栈中将多组单元相互层叠来制造的。闪存芯片中的层数越多，容量就越高。目前，所有制造商目前都在制造 100 层以上的芯片。美光则声称，其量产的232 层技术代表了世界上最先进的NAND。

据美光介绍，公司新的232层闪存拥有业界最快的 NAND I/O 速度——每秒 2.4 GB (GB/s)。这一速度比美光 176 层节点上启用的最快接口快50%。与上一代闪存相比，232 层 NAND 还提供高达 100% 的写入带宽和超过 75% 的读取带宽提升。

此外，232层NAND推出全球首款六平面（six-plane）TLC量产NAND。在所有 TLC 闪存的每个die中，其所具有的的平面（plane）是最多的，并且每个平面都具有独立的读取能力。美光的 232 层 NAND 还是首款支持 NV-LPDDR4 的生产产品，这是一种低压接口，与之前的 I/O 接口相比，每比特传输节省 30% 以上。

能够实现这样的速度提升，这当然主要得益于美光在技术上的创新。

据anandtech报道，从技术角度来看，美光的232L NAND进一步建立在美光那一代磨练出来的基本设计元素之上。因此，我们再次关注弦堆叠设计（string stacked design），美光使用一对116层decks，高于上一代的88层。反过来，116层decks也是值得注意的，因为这是美光第一次能够生产超过100层的单一deck，这一壮举以前仅限于三星能做到。这反过来又使美光能够仅用两层decks生产尖端的NAND，随着公司推动总层数超过300层的设计，这可能在更长时间内是不可能的。

美光的 NAND 平台继续使用其电荷陷阱（charge-trap）、CMOS under Array (CuA) 架构构建，该架构将 NAND 的大部分逻辑置于 NAND 存储单元之下。美光长期以来一直认为这是他们在 NAND 密度方面获得持续优势的原因，而这在他们的232层 NAND上再次展现。美光声称，他们已经实现了 14.6 Gbit/mm²的密度，比他们的 176L NAND 密度高约 43%。而且，根据 Micron 的说法，密度比竞争对手的 TLC 产品高 35% 到 100%。如此高的密度使美光最终能够生产出他们的第一个 1Tbit TLC 裸片，从产品化的角度来看，这意味着美光现在还可以通过堆叠 16 个 232L 裸片来生产 2TB 芯片封装。

与此同时，美光也一直在研究其芯片封装的尺寸，因此虽然更大的容量意味着他们的芯片尺寸逐代增加（根据美光的密度数据，我们估计约为70.1mm ²），他们仍然将芯片封装缩小了 28%。因此，单芯片封装从12mmx18mm(216mm²) 缩小到 11.5mmx13.5mm (~155mm²)。因此对于美光的下游客户来说，美光 NAND 的更大容量和更小封装的结合意味着设备制造商可以减少分配给 NAND 封装的空间量，或者转向另一个方向并尝试塞进更多的封装进入相似数量的空间。

此外，美光还在新产品的外围逻辑上实现了最新一代的 ONFi。

ONFi 于 2021 年完成，现已推出第一批 NAND 产品，这种技术将控制器-NAND 传输速率提高了 50%，达到 2400MT/秒。ONFi 5.0 还引入了一种新的 NV-LPDDR4 信令方法，该方法具有相同的 2400MT/s 速率，但由于它基于 LPDDR 技术，因此功耗更低。据美光公司称，他们发现每比特能量传输节省了 30% 以上，从而线束降低了能耗。尽管与往常一样进行此类比较，但值得注意的是带宽增益超过了节能（50%对30%）。

按照美光在投资者日的分享，未来会有五百层的NAND Flash规划，但他们并没有公布具体的时间表。

其他巨头的亦步亦趋

在美光高调宣布232层闪存量产的同时，其他存储巨头也在暗中发力。

首先看三星方面，据韩媒businesskorea今年年初的报道，三星电子将在 2022 年底推出 200 层或更多层的第八代 NAND 闪存。业内人士认为，三星已经通过“双堆叠”的方式获得了 256 层技术。报道进一步指出，三星电子将成为第一家通过在 128 层单堆栈中增加 96 层来发布 224 层 NAND 闪存的芯片制造商。与 176 层芯片相比，224 层 NAND 闪存可以将生产力和数据传输速度提高 30%。而这背后的技术支柱则是来自三星V-NAND技术。

三星表示，自2013年推出以来，V-NAND一直是存储业内最成功的技术之一。它不仅仅是在越来越宽的小城市街道上一个接一个地延伸存储芯片，而是使打开一扇相当于摩天大楼存储设计的大门，重塑了这个行业！三星进一步指出，在从 100+ 层扩展到 200+ 层的过程中，他们希望将其尖端的 V-NAND 摩天大楼彼此堆叠（由绝缘层隔开），这正是上面说的“128+96”的设计方式。按照三星预计，这种所谓的串堆叠可能是推动 V-NAND 向前发展的最有效方式。当然，额外的 3D 工艺改进改进也是需要的。

相关报道也指出，三星新技术的存储密度较之上一代增加了40%左右。V-NAND V8闪存的单核容量也从之前的512Gbit翻倍到1Tbit，性能也更强。IO接口速率则直接从2Gbps提升至2.4Gbps，性能更兼容最新的PCIe 5.0标准。得益于更大的存储容量。V-NAND V8闪存的厚度还是可以控制在合理的水平，封装512GB容量不超过0.8。

在三星以外，另一家韩国巨头SK Hynix也被报道也在追求200+层的闪存。相关报道指出，SK海力士有望在2023年推出其200+层的产品，但从他们官方，我们目前还没有任何相关信息传出。不过从公司更早之前的报道可以看到，4D NAND Flash技术也许会是SK海力士征服这个市场的“杀手锏”。

SK海力士表示，3D-NAND具有存储容量随着通过三维堆叠堆叠的层数的增加而增加的结构。3D-NAND使用堆叠多层氧化物-氮化物的方法，在其上形成称为“plug”的垂直深孔，然后在其中形成由氧化物-氮化物-氧化物制成的存储器件。通过这种方法，可以通过少量的工艺同时形成大量的细胞。在 3D-NAND 中，电流流过位于圆柱形单元中心的多晶硅通道，并根据存储在氮化硅中的电荷类型存储编程和擦除信息。

在SK海力士看来，虽然3D-NAND 的核心技术是实现更高层数的三维堆叠，这在过去几代了发展也不错，但为了在3D-NAND之后进一步最大化存储容量，SK海力士开发了一种4D-NAND，可以使芯片尺寸更小。从技术上看，4D NAND就是在3D NAND单元下方形成外围电路，以消除外围电路占用的面积，从而最大限度地提高存储容量并降低NAND闪存的成本。

在更早之前的2019年，SK海力士曾经做过非常大胆的预测，那就是到2025年推出500 层堆叠产品，到2023年，更是将其4D NAND Flash堆叠提升到800+。但从目前看来，这实现起来似乎有点困难。

今年早些时候，西部数据与合作伙伴 Kioxia 也分享了他们的闪存路线图。据介绍，该公司计划很快推出其第 6 代 BiCS，它将在 TLC 和 QLC 配置中具有 162 层。他们同时还指出，公司即将推出的具有超过 200 层的 BiCS+ 内存，该内存将于 2024 年推出。与 BiCS6 相比，它的每个晶圆的位数将增加 55%，传输速度提高 60%，写入速度提高 15%。

在去年九月份接受半导体行业观察等记者采访的时候，铠侠方面曾经表示，从162 层闪存开始，公司开始采用CMOS电路配置在存储阵列下方的CUA结构。据了解，这种设计的芯片厚度会大于CAN结构，但铠侠表示，从单片晶圆中产出的芯片数量的增加可以弥补生产时间变长的影响。面向未来铠侠后续还将引入CBA结构，即CMOS／存储阵列键合，存储阵列和周边电路会分别生产。最终，将两片晶圆键合在一起以形成一个存储器芯片。除此以外，PLC和Twin BiCS也是铠侠提升平面存储密度的重要途径。

所谓PLC，是penta level cell的简称，这是一种存储5电位的设计。但铠侠并不满足于此，在之前的学术会议上，铠侠还谈到了存储6电位的HLC（hexa level cell）和存储8电位的OLC（octa level cell）。

至于Twin BiCS，则是铠侠在2019年推出一个闪存新技术。据介绍，这是全球首个3D半圆形分裂浮栅极闪存单元。其使用的技术主要有半圆形、分裂、浮栅极，简单来说就是将传统的浮栅极分裂为两个对称的半圆形栅极，利用曲率效应提高闪存P/E编程/擦除过程中的性能。

按照铠侠介绍，他们计划在未来十年内构建 500 层以上的 NAND Flash。

此外，有报道指出，国内闪存新秀长江存储的闪存层数也会直接从128层跃升到232层，并于今年年底量产。关于这个消息，并没有办法求证。我们仅将其列举在此，以供大家参考。

NAND Flash何去何从？

从上文的介绍可以看到，自闪存进入了3D时代，围绕在层数的竞争正在愈演愈烈，甚至有专家预研，未来甚至可能会出现1000层的3D NAND Flash。但正如铠侠在接受半导体行业观察采访的时候所说，这种高层数闪存的出现，会增加闪存的制造时间和成本，这也是他们探索横向发展3D 闪存的原因。

欧洲知名机构imec也表示，为了维持 NAND-Flash 路线图，一些主要厂商最近宣布将层数进一步增加到 500 层或更多。按照这个趋势线，这个数字将在十年结束前增加到 1000。他们也同意，暴增的层数会带来更高的处理复杂性，也会挑战沉积和蚀刻工艺，并导致应力在层内积聚。这也是类似三星这样的NAND-Flash 制造商最近开始将层数分成两（或更多）层，并将单独处理的层堆叠在一起的原因。

但在他们看来，在更遥远的未来，预计我们将需要更多颠覆性的“后 NAND”创新来继续实现闪存的密度缩放，从而为进入Tbit/mm²时代做准备。基于这样的考虑， imec将GAA NAND-Flash 纳入了路线图。（具体参考我们之前的文章《NAND Flash何去何从，3D FetFET将担当重任》）

从很多的报道可以看到，各种新型存储也将有望在未来扮演替代者的角色。不过短期看来，NAND Flash还将是存储世界的重要组成，这是毫无疑问的。

*免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点，不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系半导体行业观察。

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