长江存储128层TLC闪存拆解：存储密度高达848Gbmm²，远超三星等

去年4月，国产存储芯片厂商长江存储（YMTC）宣布其128层3D NAND 闪存研发成功。包括拥有业界最高单位面积存储密度，最高I/O传输速度和最高单颗NAND 闪存芯片容量的1.33Tb 128层QLC 3D NAND闪存，以及512Gb 128层TLC闪存。

近日，国外权威研究机构Tech Insights对长江存储的128层TLC 3D闪存进行了芯片级的拆解，发现其存储密度达到了目前业界最高的8.48 Gb/mm²，远高于三星、美光、SK海力士等一线NAND芯片大厂。

据介绍，Tech Insights拆解的是Asgard（阿斯加特）的PCIe4.0 NVMe1.4 AN4 1TB SSD，其内部采用的正是长江存储的128层TLC 3D NAND 闪存芯片，这也意味着长江存储128层TLC 3D NAND 闪存芯片已量产。该SSD硬盘的PCB上总共四颗256GB NAND闪存，单个封装内是4颗芯片，也就是说单颗芯片容量为512Gb。该NAND闪存的型号为YMN09TC1B1HC6C（日期代码：2021 9W）。

△长江存储512 Gb 128层3D TLC NAND 芯片的外观，型号为YMN09TC1B1HC6C

根据长江存储此前公布的数据显示，在传统3D NAND架构中，外围电路约占芯片面积的20~30%，这也使得芯片的存储密度大幅降低。而随着3D NAND技术堆叠到128层甚至更高，外围电路所占据的芯片面积或将达到50%以上。而Xtacking技术则是将外围电路置于存储单元之上，从而实现比传统3D NAND更高的存储密度。

所以，长江存储512Gb 128层Xtacking 2.0 TLC芯片同样也是采用了两个晶圆来集成3D NAND，因此拆解后可以找到两个die，一个用于NAND阵列的die，另一个用于CMOS外围电路的die。

△长江存储512 Gb 128层Xtacking 2.0 3D TLC NAND die标记 （ CDT1B）

△长江存储512 Gb 128层Xtacking 2.0 3D TLC NAND芯片COMS外围的die标记（CDT1A 或 CDT1B）

作为对比，上一代的64层 Xtacking 1.0架构的TLC NAND die标记为（Y01-08 BCT1B） 和 CMOS外围电路die 标记为（Y01A08 BCT1B）。

根据Tech Insights的实测，长江存储512Gb 128层Xtacking 2.0 TLC的die尺寸为60.42mm²，这也意味着其单位密度增加到了8.48 Gb/mm2， 比 256Gb 64层的Xtacking 1.0 die 高出了92% 。读取速度达到了7500 MB/s，写入速度也高达5500 MB/s。

△长江存储512Gb 128层Xtacking 2.0 TLC NAND的die平面图

CMOS外围电路die则集成了页缓冲器、列解码器、电荷泵、全局数据通路和电压发生器/选择器。

△长江存储512Gb 128层Xtacking 2.0 TLC NAND芯片的CMOS外围电路die平面图

Tech Insights称，长江存储128层Xtacking 2.0单元体系结构由两个通过层接口缓冲层连接的层组成，这与KIOXIA 112L BiCS 3D NAND结构的过程相同。单元大小、CSL间距和9孔VC布局与以前的64L Xtacking 1.0单元保持相同的设计和尺寸（水平/垂直方向间距）。门的总数为141（141T），包括用于TLC操作的选择器等。

△垂直方向的长江存储3D NAND单元结构，以及注释为32L（T-CAT带39T）、64L（Xtacking 1.0带73T）和128L（Xtacking 2.0带141T）的门的总数。

Tech Insights表示，长江存储128层Xtacking 2.0上层有72个钨闸门，下层有69个闸门。包括BEOL Al、NAND die和外围逻辑管芯在内的金属层总数为10，这意味着与64L Xtacking 1.0工艺集成相比，外围逻辑管芯中增加了两个铜金属层。通道VC孔高度增加一倍，为8.49µm。

△长江存储三代3D NAND的比较：Gen1（32L）、Gen2（64L，Xtacking 1.0）和Gen3（128L，Xtacking 2.0）。

与三星 （V-NAND）、美光 （CTF CuA） 和 SK海力士（4D PUC） 的现有128层512 Gb 3D TLC NAND 芯片的die尺寸相比，长江存储512Gb 128层Xtacking 2.0 TLC NAND芯片的die尺寸更小，单位密度最高。

长江存储128层TLC NAND die平面布置图和两层阵列结构与美光和SK海力士相同，但长江存储的每个字符串的选择器和虚拟WL数为13，小于美光和SK 海力士（两者均为147T）。由于长江存储所采用的Xtacking混合键合方法，使得其使用的金属层数量远高于其他产品。

△128层512 Gb 3D TLC NAND产品的比较，包括刚刚发布的YMTC 128L Xtacking 2.0 3D NAND。

从上面的对比数据来看，长江存储512Gb 128层Xtacking 2.0 TLC NAND芯片的单位存储密度达到了8.48b/mm²，远高于三星的6.91Gb/mm²、美光的7.76Gb/mm2、SK海力士的8.13Gb/mm²，达到了目前业界最高单位存储密度。

目前长江存储Xtacking 2.0架构的512Gb 128层TLC NAND芯片已量产。虽然三星、SK海力士、美光等厂商也在致力于开发176层3D NAND闪存芯片，但是他们目前最先进的量产产品还是128层。

作为一家成立仅数年的国产NAND Flash闪存芯片厂商，长江存储在国外巨头已领跑数十年的存储技术领域，能够在如此短的时间内追赶上来，并且取得技术上的领先，实属不易。

编辑：芯智讯-浪客剑 资料来源：Tech Insights

长江存储发力128层3D NAND 存储器市场国产化加速

作者：鲁臻

作为半导体产业链的重要一环，存储器拥有半导体产业最大的细分市场。

根据WSTS的数据，2019年全球存储器市场规模达1059.07亿美元，占全球半导体市场份额为25.89％。目前中国半导体产业链各环节发展并不平衡，在存储器细分市场，随着长江存储、合肥长鑫等国产品牌不断突破，其进口替代正在推进。

长江存储发布128层QLC 3D NAND闪存 有望参与国际市场竞争

4月13日，市场期待已久的国产128层QLC 3D NAND闪存（型号：X2-6070）被紫光集团旗下的长江存储科技有限责任公司（以下简称“长江存储”）研发成功。长江存储表示，该产品拥有业内已知型号产品中最高单位面积存储密度，最高I/O传输速度和最高单颗NAND 闪存芯片容量，并已经在已在多家控制器厂商SSD等终端存储产品上通过验证。同时，长江存储还发布了128层512Gb TLC（3bit/cell）规格闪存芯片（型号：X2-9060），以满足不同应用场景的需求。

作为国产存储龙头，长江存储成立于 2016 年 7 月，是一家专注于 3D NAND 闪存设计制造一体化的IDM 集成电路企业，同时也提供完整的存储器解决方案，产品广泛应用于移动通信、消费数码、计算机、服务器及数据中心等领域。

2019 年初长江存储实现 32 层 3D NAND 的量产。其首创了 Xtacking 技术，使用该技术顺利研发出64层3D NAND，并于2019年9月量产256Gb（32GB）TLC 3D NAND。鉴于国际领先的厂商已拥有100层以上的技术，因此，长江存储宣布跳过业界常见的96层，直接研发128层3D NAND。时隔7个月之后，4月13日，长江存储成功研发128层QLC 3D NAND闪存。3年时间，长江存储实现32层到64层再到128层的跨越，追上日韩美存储厂商的先进水平，令人瞩目。

存储器市场诊断书：寡头垄断格局短期仍难打破

存储方式按照其原理可大致分为光学存储、半导体存储和磁性存储。半导体存储是存储领域中应用领域最广、市场规模最大的存储器件。而在众多半导体存储器中，市场规模最大的是（Dynamic Random Access Memory，即动态随机存取存储器）和NAND Flash（数据型闪存芯片），这两种产品占存储器市场的比重合计达到96％。

制图：金融界上市公司研究院 数据来源：国元证券、公开资料整理

具体来看，DRAM是存储器市场规模最大的芯片，其主要应用于计算机、手机的运行数据保存以及与CPU直接通讯。根据DRAMeXchange数据统计，2019年全球DRAM市场规模为622亿美元，其中三星、海力士和美光的份额分别为44.5％、29.1％和21.5％，合计占比为95％，在过去3年中，三者合计的份额占比均在95％以上。

从技术上来看，目前市场上DRAM的应用较为广泛的制程是2Xnm（26-29nm级别）和1Xnm（16-19nm级别），而三星、美光、海力士等巨头厂商均已开发出1Znm（12~14nm级别）制程的DRAM。国产DRAM厂商合肥长鑫现已量产的DRAM为19nm制程，预计2021年可投产17nm DRAM，均为1Xnm，技术与国际先进的厂商还有较大的差距，国产厂商的成长之路还较为漫长。

寡头垄断的格局使得中国企业对DRAM芯片议价能力较低，也使得DRAM芯片成为我国受外部制约最严重的基础产品之一。

NAND Flash是市场规模仅次于DRAM的存储芯片。目前NAND Flash主要应用在手机和SSD（固态硬盘）上，其占比分别为48％和43％，因此该两类产品的出货量则会直接影响NAND Flash的需求。

根据DRAMe Xchange数据，2019年全球NAND Flash市场规模为460亿美元，其中前五大厂商三星、铠侠（东芝）、WDC（闪迪）、海力士和美光的市场份额分别为33.5％、18.9％、14.3％、13.5％和9.7％，合计占比达到89.90％。

从制程方面来看，由于物理结构上NAND不需要制作电容器，自2015年制程推进遇到障碍时，制程工艺相对简单的3D堆叠技术成为新的发展方向。Yole数据显示，全球3D NAND Flash的产量已于2017年4季度超过2D。目前3D技术正在稳步推进中，未来的发展方向就是层数的继续堆叠。

根据国元证券数据，目前市场上的主流3D NAND产品为64层，但国际领先的厂商目前都已拥有100层以上的技术。

其中，2019年6月，海力士宣布成功研发并量产128层堆叠的4D NAND闪存芯片；8月，三星电子宣布实现第六代超过100层的3D NAND闪存量产；10月，美光也宣布第一批第四代3D NAND存储芯片流片已经出样，并预计2020年美光第四代3D NAND闪存将开始商用。

而从国内市场来看，国产厂商长江存储于4月13月突破100层技术，研发成功了128层QLC 3D NAND闪存（型号：X2-6070），达到国际领先水平。据从长江存储了解到的消息称，该产品最晚将于2021年上半年开始量产，未来将在满产时实现10万片月产能。

附：国内外存储器细分领域龙头企业一览

制表：金融界上市公司研究院 数据来源：巨灵财经、国元证券、各公司公告

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