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NAND的层数闪存芯片：“层数”决定高度？

发布时间 : 2024-11-24

作者 : 小编

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闪存芯片：“层数”决定高度？

自铠侠的前身东芝存储在1987年发明NAND闪存以来，NAND闪存经历了从二维到三维的技术演进，三星作为3D NAND闪存的缔造者，至今仍占据着技术和产能双第一的宝座。但目前，以美光、西部数据、铠侠为代表的厂商纷纷在200+层3D NAND闪存领域发力，各厂商的竞争进入产能和层数等的多重较量，这是否会动摇三星的领先地位？

层数不是唯一评判标准 3DNAND闪存领域的技术进步速度极快，使得市场竞争异常激烈。而闪存企业的产品利润率水平又与其创新能力息息相关，因此各大厂商在新产品的研发上竞争不断加剧。2013年8月，三星推出了全球首款3DNAND闪存，当时的层数仅为24层，而经过9年的技术突破，目前可以量产的3D NAND最高层数已经达到了176层，但能够真正做到的企业只有三星和美光。今年2月初，三星发出公告称，将在2022年底或2023年上半年推出200层以上的3D NAND芯片，并在2023年上半年开始量产。预计三星第一款200层以上3D NAND芯片的层数将达到224层。就在大家以为三星将继续引领技术潮流，将3D NAND闪存带入200+层新时代的时候，美光却抢先一步在其投资日活动上公开表示，将于2022年底开始量产全球首款232层3DNAND芯片，搭载该芯片的SSD将在2023年发布。美光此举可以说是后发制人，而且这也不是美光第一次这么做了。早在2022年1月，美光就早于三星率先发布了业内首款176层3D NAND芯片。半导体行业专家池宪念向《中国电子报》记者指出：“美光此次技术突破，一方面可降低其生产成本，并使美光拥有最先进闪存芯片的定价权，从而为其增加更多的利润；另一方面，美光借此进一步提高了自己的技术门槛，拉开与其它厂商的差距，使其在存储芯片市场的竞争力和3D NAND 闪存市场份额得到进一步增加。”除了美光之外，日本存储领军企业铠侠与西部数据共同表示，将于2022年底量产162层3D NAND，2024年之前推出200层以上的3D NAND芯片；而我国存储芯片头部企业长江存储同样有消息称，长江存储已经开始向一些客户交付了其独立研发的192层3D NAND闪存的样品，预计将于2022年底前正式推出相应产品。本报记者联系了长江存储相关人员，但对方表示对该消息不予置评。可以看出，各大企业都在积极研发200+层NAND闪存，美光、铠侠、西数、长存在层数上都已具有了与三星掰手腕的实力，三星在技术上的绝对优势已经开始发生动摇。半导体行业专家杨俊刚向《中国电子报》记者表示，从目前的研发进度来看，三星和美光在多层数堆叠存储器方面的技术基础较为领先，三星或会为了追求技术的领先性，以及提前抢占市场份额，调整时间，争取更早在市场上推出200+层闪存产品。闪存的层数越多，单位空间存储密度就越大，总存储容量越容易提升，但值得注意的是，层数并不是决定闪存性能的唯一指标。创道投资咨询总经理步日欣在接受《中国电子报》记者采访时表示，3DNAND闪存堆叠技术在原理上基本类似，即通过堆叠的方式，实现在更小的空间和面积完成各大的存储容量。但是各个厂家都有各自的技术架构和演进路线图，并不完全一致，各家都有各家的技术工艺特色。在低层级的时候，3D堆叠确实能够显著提升闪存的性能，但是随着层数的增加，性能提升也会遭遇瓶颈，需要在技术、成本和性能之间寻找一个平衡。池宪念明确指出，层数的领先并不能代表美光在闪存技术上已经超过了三星。因为，对闪存产品的评价除了堆叠层数以外，还需要对接口速度、可靠性、随机读取性能、低能耗、增加每单元位数等方面的指标进行对比。此外还需要评价在生产过程中能否实现低成本、低损耗。在堆叠层数落后的情况下，三星可以通过提高产品的实际性能来提升自身的竞争力。

市场格局稳定中存变数 有数据显示，近几年，三星和铠侠始终占领NAND市场份额的第一、第二，西部数据、美光、海力士以及被收购前的英特尔NAND业务占据3-6名且名次常有轮换。可以看出，产能同样是NAND闪存企业比拼的重点。目前，各大企业都在积极扩产，希望提高产能和市占率。2020年9月，韩国芯片大厂SK海力士宣布斥资90亿美元收购英特尔的NAND闪存业务，并于2021年年底完成了交易，在交易事项中，就包括了位于中国大连的闪存芯片工厂。近日，SK海力士决定继续扩大投资并在大连工厂内建设一座新的晶圆工厂，将大连工厂打造成具有国际竞争力的NAND闪存生产基地，目前已正式开工。据悉，SK海力士加上英特尔的NAND闪存业务的市场总份额将达到全球第二，但相较于三星的市场份额依然存在较大差距。短期内，三星在NAND产业的地位仍然难以超越。而铠侠和西部数据这对已经合作20年的“亲密伙伴”也在近期宣布将共同投资位于日本四日市的Fab7（Y7）制造工厂的第一阶段工程，为该工厂建设第六座闪存生产设施，预计今年秋季启动生产。双方表示，将基于共同研发3D NAND及联合投资等方式，继续发挥协同效应、增强各自竞争力，扩大在存储领域的领先地位。据报道，西部数据CEO David Goeckeler曾在采访中表示，铠侠是西部数据重要的合作伙伴，两家企业加起来是全球最大的NAND供应商，市占率略高于三星。步日欣认为，单纯依赖各家略有差异化的技术路线，并不能形成非常强的竞争优势，闪存相对稳定的市场格局短时间内很难被打破。在市场格局层面，铠侠和西数单纯的业务合作，很难撼动三星的市场地位，即便是之前西部数据意图收购铠侠，资本层面的全面合并，也很难出现1+1>2的结果。而三星在NAND领域的产业链相对完善、技术也相对成熟，在NAND与其他企业合作的可能性不是很大。近期，有消息称，长江存储的规模已经突破10万片/月。芯谋研究高级分析师张彬磊指出，企业已经进入良性发展阶段，随着良率进一步提升、成本进一步降低，长江存储将逐渐进入全球闪存市场，与头部企业竞争。步日欣同样看好长江存储，但他也指出，闪存属于标准化产品，存在规模效应，而且全球已经形成稳固的市场格局，国内厂商要实现突围，不能单纯依赖价格、服务优势等市场化手段，更应该寻求国外厂商不具备的优势点，比如更加贴近用户，开辟蓝海市场，构建产品和技术成熟度，形成生态。尽管各大企业都在努力突围，增强各项能力，想要提升市场占有率，但在短时间内，他们所带来的冲击依旧有限，无论是技术还是产能，三星仍然是一道无法逾越的高墙，全球NAND闪存市场格局还将继续维持现状。

作者丨许子皓

编辑丨陈炳欣

美编丨马利亚

监制丨连晓东

一文让你看懂三星第五代V-NAND技术

转自天极网

今年1月底，三星电子又发大招，推出采用第五代V-NAND技术的SSD产品——三星970 EVO Plus SSD。事实上，随着新一代3D NAND技术的不断成熟，速度更快的NVMe协议的SSD固态硬盘已经成为市场主流。

以前，我们见过的闪存多属于Planar NAND平面闪存，3D闪存则是立体堆叠的。打个比方，如果说普通NAND是平房，那么3D NAND则是高楼大厦。简单说，在3D NAND领域，谁堆叠的层数多，谁的产品性能就更先进。

众所周知，平面NAND闪存不仅有SLC、MLC和TLC类型之分，而且为进一步提高容量、降低成本，NAND的制程工艺不断进步。虽然更先进的制程工艺带来了更大的容量，但容量提升、成本降低的同时可靠性及性能都在下降。

与之相比，为提高NAND的容量、降低成本，存储厂商只需要堆叠更多的层数即可。

据悉，2bit MLC每cell单元存储2bit数据只需要一两打电子，3bit MLC(也就是TLC)的每个cell单元储存。随着制程工艺的不断革新，cell单元之间的干扰现象越来越严重。

三星的V-NAND不再追求缩小cell单元，而是通过3D堆叠技术封装更多cell单元，实现容量增多的目的。

传统上，SSD中使用的是浮栅极MOSFET(Floating gate MOSFET)，电子储存在栅极中，它相当于一个导体。这种晶体管的缺点是写入数据时，栅极与沟道之间会形成一次短路，这会消耗栅极中的电荷。

即每次写入数据，都要消耗一次栅极寿命。一旦栅极中的电荷没了，cell单元就相当于挂了，无法存储数据。

三星V-NAND闪存放弃浮栅极MOSFET，使用电荷攫取闪存(charge trap flash，简称CTF)设计。每个cell单元看起来更小了，但里面的电荷是储存在一个绝缘层而非之前的导体上，理论是没有消耗的。这种更小的电荷有很多优点，比如更高的可靠性、更小的体积。

据了解，使用CTF结构的V-NAND闪存被认为是一种非平面设计，绝缘体环绕沟道(channle)，控制栅极又环绕着绝缘体层。这种3D结构设计提升了储存电荷的的物理区域，提高了性能和可靠性。

相比传统的FG(Floating Gate，浮栅极)技术,三星NAND的电荷撷取闪存(charge trap flash，简称CTF)技术难度更小一点，因此这有利于加快产品量产。

目前，三星的3D V-NAND存储单元的层数(Layer)由2009年的2-layer逐渐提升至24-layer、64-layer，再到2018年的96-layer(层)。

参考资料：

1. https://zhuanlan.zhihu.com/p/21967038

2. https://zhuanlan.zhihu.com/p/48579501

3. https://news.mydrivers.com/1/273/273419.htm

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