平衡的nand 闪存芯片：“层数”决定高度？

发布时间 : 2025-04-30

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

杂谈闪存二：NOR和NAND Flash

三星终于从爆炸门中走了出来，受到来自DRAM 与NAND 价格上涨带动，三星把Intel从盘踞了14年的半导体王座上赶了下来，风光可谓一时无两。虽然下半年市况预料将会修正，但今年整体DRAM 仍可较去年成长39%，NAND 则成长25%，而这两项恰恰曾经帮助过Intel走向巅峰，真是成也萧何，败也萧何啊。说起NAND Flash，他和他的哥哥NOR Flash可谓是20世纪最重要的发明之一，他的诞生和发展很是曲折，生于日本，长于美国，如今却在韩国大放异彩。今天的历史故事要从他的发明人桀冈富士雄（Fujio Masuoka）和他的狗血东家说起。

历史

Intel很早就发明了EPROM，这是一种可以用紫外线擦除的存储器。相较于ROM，它的内容可以更新而且可以保持10～20年，老式电脑的BIOS都存储于此。

（Intel 1702）

它的顶部必须被覆盖住，以防被阳光里的紫外线擦除。后来Intel在其基础上于1978年发明了电可擦除的升级版叫做EEPROM。不需要阳光的帮忙，方便多了，可是读取和擦除速度却非常缓慢。

这时我们的主人公富士雄出场了，他于1971年加入了东芝公司。受到了EEPROM的启发，他开始利用自己夜晚和周末的时间钻研一种能快速擦除的EERPOM。他在1980年取得突破，申请了一个叫做simultaneously erasable EEPROM的专利。然而，日本大公司的论资排辈却让这项划时代的发明石沉大海，直到4年之后。

“我终于被提拔了，可以不要批准就去工厂，让工人们帮忙做出样品了”，富士雄说。当他拿着他的样品参加当年的IEEE大会的时候，NOR Flash引起了轰动，以至于当他回到日本后，他的老板总是被Intel打来的要样品电话骚扰。他被奖励了几个人手帮忙，而这些人却是part-time的。而在大洋的另一边，Intel在收到样品后，立刻派出300多个工程师全力研发自己的版本。由于新发明的这种EEPROM擦除速度飞快，富士雄的同事建议他把这种技术取名Flash，暗合相机的闪光灯飞快闪烁之意。

东芝公司并没有把NOR flash技术当作宝贝，只是不想要别人插手而已。所以不停的起诉任何希望染指的公司，如TI公司。而富士雄却并没有停止他的追求，在1986年发明了NAND Flash，大大降低了制造成本。由于他的贡献，东芝奖励了他一笔几百美金的奖金和一个位置很高却悠闲的职位。做为一个工程师，他忍受不了这种待遇，不得不辞职进入大学继续科研。

东芝公司的短视很快招来了市场的惩罚。Flash市场迅速扩张，在90年代末期就达到数百亿美金的市场规模，Intel是这个市场的霸主，而东芝公司只享有很小的份额（NAND，NOR几乎没有）。在很长一段时间，东芝公司甚至不承认NOR flash是他发明的，说是Intel发明的。直到IEEE在1997年颁给富士雄特殊贡献奖后才改口。

富士雄觉得自己的贡献被东芝公司抹杀了，他愤然于2006年起诉了公司，并索要10亿日元的补偿。最后他和东芝公司达成和解，得到8700万日元（合758,000美元）。富士雄没有依旧停止自己的脚步，在获得进200个专利后，他还在向着下一个big thing进发。

无疑富士雄是个英雄，有人说应该颁给他诺贝儿奖，他也是我还可以记得名字的发明人之一，而其他的很多技术发明人却泯然众人矣。从这个故事中也可以折射出日本大公司的官僚主义和大公司病。

NOR VS NAND

那么什么是NOR Flash和NAND Flash？我们先来看看他们芯片的样子：

（左边是NAND,右边是NOR）

他们的电气原理我就不讲了，感兴趣的人也不多。我们这里主要聚焦在他们的共性和特性上。

1。共性

A. 都是非易失存储介质。即掉电都不会丢失内容。

B. 在写入前都需要擦除。实际上NOR Flash的一个bit可以从1变成0，而要从0变1就要擦除整块。NAND flash都需要擦除。

2。特性

特性是决定使用哪种Flash的根据，我这里总结出一张表：

如果以美光（Micron）自己的NAND和NOR对比的话，详细速度数据如下：

（数据来源Micron）

如果我们单独看随机读取速度：

（数据来源Micron）

如果用现在流行的关系图看是这样：

（数据来源Toshiba）

应用场景

在PC和手机上我们都可以找到NOR和NAND Flash的身影。

1。NOR Flash

NOR Flash和普通的内存比较像的一点是他们都可以支持随机访问，这使它也具有支持XIP（eXecute In Place）的特性，可以像普通ROM一样执行程序。这点让它成为BIOS等开机就要执行的代码的绝佳载体。

NOR Flash 根据与 Host 端接口的不同，可以分为 Parallel NOR Flash 和 Serial NOR Flash 两类。

Parallel NOR Flash 可以接入到 Host 的控制器上，所存储的内容可以直接映射到 CPU 地址空间，不需要拷贝到 RAM 中即可被 CPU 访问。NOR Flash在BIOS中最早就是这种接口，叫做FWH（Firmware HUB），由于其接是并行接口，速度缓慢，现在基本已经被淘汰。Serial NOR Flash 的成本比 Parallel NOR Flash 低，主要通过 SPI 接口与 Host 也就是PCH相连。

现在几乎所有的BIOS和一些机顶盒上都是使用NOR Flash，它的大小一般在1MB到32MB之间，价格昂贵。

2。NAND Flash

NAND Flash广泛应用在各种存储卡，U盘，SSD，eMMC等等大容量设备中。它的颗粒根据每个存储单元内存储比特个数的不同，可以分为 SLC（Single-Level Cell）、MLC（Multi-Level Cell）和 TLC（Triple-Level Cell）三类。其中，在一个存储单元中，SLC 可以存储 1 个比特，MLC 可以存储 2 个比特，TLC 则可以存储 3 个比特。

NAND Flash 的单个存储单元存储的比特位越多，读写性能会越差，寿命也越短，但是成本会更低。

现在高端SSD会选取MLC甚至SLC，低端SSD则选取TLC。SD卡一般选取TLC。

3。其他

1. 最早的手机等设备之中既有NOR Flash也有NAND Flash。NOR Flash很小，因为支持XIP，所以负责初始化系统并提供NAND Flash的驱动，类似Bootloader。而NAND Flash则存储数据和OS镜像。三星最早提出Norless的概念，在它的CPU on die ROM中固话了NAND Flash的驱动，会把NAND flash的开始一小段拷贝到内存低端作为bootloader,这样昂贵的NOR Flash就被节省下来了，降低了手机主板成本和复杂度。渐渐NOR Flash在手机中慢慢消失了。

2. NOR Flash最大的问题是擦写慢和可擦写次数少，但是很少会因为这个原因造成BIOS速度降低和损坏，你知道是为什么吗？

尾声

NAND Flash相对NOR Flash更可能发生比特翻转，就必须采用错误探测/错误更正(EDC/ECC)算法，同时NAND Flash随着使用会渐渐产生坏块；我们在使用NAND Flash的SD卡上经常使用FAT文件系统，如果大家度过前面的文章（传送门：FAT文件系统与UEFI - 知乎专栏）就会知道，文件分配表会被频繁改写，而每块的擦写次数是NAND Flash寿命的决定性因素。如何才能平衡各块的擦写和为可能的坏块寻找替换呢？通常需要有一个特殊的软件层次，实现坏块管理、擦写均衡、ECC、垃圾回收等的功能，这一个软件层次称为 FTL（Flash Translation Layer）。根据 FTL 所在的位置的不同，可以把 Flash Memory 分为 Raw Flash 和 Managed Flash 两类：