超能课堂(36)：3D NAND闪存是什么，引中国厂商竞折腰？

上个月底武汉新芯科技主导的国家级存储器产业基地正式动工，在大基金的支持下该项目将投资240亿美元建设国内最大、最先进的存储器芯片基地。如此巨额的投资使得该项目争议不小，不过更应该注意的是国内公司这次进军存储芯片的起点不低，新建的12寸晶圆厂投产后直接生产3D NAND闪存，这可是当前闪存市场的大热门，来势凶猛。那么3D NAND闪存市场现在到底是个什么样呢？

从三星的840系列硬盘再到Intel刚发布的DC P3520硬盘，三星、SK Hynix、东芝/闪迪、Intel/美光这四大NAND豪门都已经涉足3D NAND闪存了，而且可以预见这种趋势还会继续下去，越来越多的闪存及SSD硬盘都会转向3D NAND技术。今天的超能课堂中我们就简单说下3D NAND闪存，汇总一下目前四大NAND豪门的3D NAND闪存的规格及特色。

什么是3D NAND闪存？

从新闻到评测，我们对3D NAND闪存的报道已经非常多了，首先我们要搞懂什么是3D NAND闪存。

从2D NAND到3D NAND就像平房到高楼大厦

我们之前见过的闪存多属于Planar NAND平面闪存，也叫有2D NAND或者直接不提2D的，而3D 闪存，顾名思义，就是它是立体堆叠的，Intel之前用盖楼为例介绍了3D NAND，普通NAND是平房，那么3D NAND就是高楼大厦，建筑面积一下子就多起来了，理论上可以无线堆叠。

3D NAND与2D NAND区别

3D NAND闪存也不再是简单的平面内存堆栈，这只是其中的一种，还有VC垂直通道、VG垂直栅极等两种结构。

3D NAND闪存有什么优势？

在回答3D NAND闪存有什么优势的时候，我们先要了解平面NAND遇到什么问题了——NAND闪存不仅有SLC、MLC和TLC类型之分，为了进一步提高容量、降低成本，NAND的制程工艺也在不断进步，从早期的50nm一路狂奔到目前的15/16nm，但NAND闪存跟处理器不一样，先进工艺虽然带来了更大的容量，但NAND闪存的制程工艺是双刃剑，容量提升、成本降低的同时可靠性及性能都在下降，因为工艺越先进，NAND的氧化层越薄，可靠性也越差，厂商就需要采取额外的手段来弥补，但这又会提高成本，以致于达到某个点之后制程工艺已经无法带来优势了。

相比之下，3D NAND解决问题的思路就不一样了，为了提高NAND的容量、降低成本，厂商不需要费劲心思去提高制程工艺了，转而堆叠更多的层数就可以了，这样一来3D NAND闪存的容量、性能、可靠性都有了保证了，比如东芝的15nm NAND容量密度为1.28Gb/mm2，而三星32层堆栈的3D NAND可以轻松达到1.87Gb/mm2，48层堆栈的则可以达到2.8Gb/mm2。

3D NAND闪存在容量、速度、能效及可靠性上都有优势

传统的平面NAND闪存现在还谈不上末路，主流工艺是15/16nm，但10/9nm节点很可能是平面NAND最后的机会了，而3D NAND闪存还会继续走下去，目前的堆栈层数不过32-48层，厂商们还在研发64层甚至更高层数的堆栈技术。

四大NAND豪门的3D NAND闪存及特色

在主要的NAND厂商中，三星最早量产了3D NAND，其他几家公司在3D NAND闪存量产上要落后三星至少2年时间，Intel、美光去年才推出3D NAND闪存，Intel本月初才发布了首款3D NAND闪存的SSD，不过主要是面向企业级市场的。

这四大豪门的3D NAND闪存所用的技术不同，堆栈的层数也不一样，而Intel在常规3D NAND闪存之外还开发了新型的3D XPoint闪存，它跟目前的3D闪存有很大不同，属于杀手锏级产品，值得关注。

四大NAND豪门的3D NAND闪存规格及特色

上述3D NAND闪存中，由于厂商不一定公布很多技术细节，特别是很少提及具体的制程工艺，除了三星之外其他厂商的3D NAND闪存现在才开始推向市场，代表性产品也不足。

三星：最早量产的V-NAND闪存

三星是NAND闪存市场最强大的厂商，在3D NAND闪存上也是一路领先，他们最早在2013年就开始量产3D NAND闪存了。在3D NAND路线上，三星也研究过多种方案，最终量产的是VG垂直栅极结构的V-NAND闪存，目前已经发展了三代V-NAND技术，堆栈层数从之前的24层提高到了48层，TLC类型的3D NAND核心容量可达到256Gb容量，在自家的840、850及950系列SSD上都有使用。

三星最早量产了3D NAND闪存

值得一提的是，三星在3D NAND闪存上领先不光是技术、资金的优势，他们首先选择了CTF电荷撷取闪存（charge trap flash，简称CTF）路线，相比传统的FG（Floating Gate，浮栅极）技术难度要小一些，这多少也帮助三星占了时间优势。

有关V-NAND闪存的详细技术介绍可以参考之前的文章：NAND新时代起点，三星V-NAND技术详解

东芝/闪迪：独辟蹊径的BiCS技术

东芝是闪存技术的发明人，虽然现在的份额和产能被三星超越，不过东芝在NAND及技术领域依然非常强大，很早就投入3D NAND研发了，2007年他们独辟蹊径推出了BiCS技术的3D NAND——之前我们也提到了，2D NAND闪存简单堆栈是可以作出3D NAND闪存的，但制造工艺复杂，要求很高，而东芝的BiCS闪存是Bit Cost Scaling，强调的就是随NAND规模而降低成本，号称在所有3D NAND闪存中BiCS技术的闪存核心面积最低，也意味着成本更低。

东芝的BiCS技术3D NAND

东芝和闪迪是战略合作伙伴，双方在NAND领域是共享技术的，他们的BiCS闪存去年开始量产，目前的堆栈层数是48层，MLC类型的核心容量128Gb，TLC类型的容量可达256Gb，预计会在日本四日市的Fab 2工厂规模量产，2016年可以大量出货了。

SK Hynix：闷声发财的3D NAND

在这几家NAND厂商中，SK Hynix的3D NAND最为低调，相关报道很少，以致于找不到多少SK Hynix的3D NAND闪存资料，不过从官网公布的信息来看，SK Hynix的3D NAND闪存已经发展了3代了，2014年Q4推出的第一代，2015年Q3季度推出的第二代，去年Q4推出的则是第三代3D NAND闪存，只不过前面三代产品主要面向eMCC 5.0/5.1、UFS 2.0等移动市场，今年推出的第四代3D NAND闪存则会针对UFS 2.1、SATA及PCI-E产品市场。

SK Hynix的3D NAND闪存堆栈层数从36层起步，不过真正量产的是48层堆栈的3D NAND闪存，MLC类型的容量128Gb，TLC类型的也可以做到256Gb容量。

Intel/美光：容量最高的3D NAND闪存

这几家厂商中，Intel、美光的3D NAND闪存来的最晚，去年才算正式亮相，不过好菜不怕晚，虽然进度上落后了点，但IMFT的3D NAND有很多独特之处，首先是他们的3D NAND第一款采用FG浮栅极技术量产的，所以在成本及容量上更有优势，其MLC类型闪存核心容量就有256Gb，而TLC闪存则可以做到384Gb，是目前TLC类型3D NAND闪存中容量最大的。

美光、Intel的3D NAND容量密度是最高的

384Gb容量还不终点，今年的ISSCC大会上美光还公布了容量高达768Gb的3D NAND闪存论文，虽然短时间可能不会量产，但已经给人带来了希望。

Intel的杀手锏：3D XPoint闪存

IMFT在3D NAND闪存上进展缓慢已经引起了Intel的不满，虽然双方表面上还很和谐，但不论是16nm闪存还是3D闪存，Intel跟美光似乎都有分歧，最明显的例子就是Intel都开始采纳友商的闪存供应了，最近发布的540s系列硬盘就用了SK Hynix的16nm TLC闪存，没有用IMFT的。

Intel、美光不合的证据还有最明显的例子——那就是Intel甩开美光在中国大连投资55亿升级晶圆厂，准备量产新一代闪存，很可能就是3D XPoint闪存，这可是Intel的杀手锏。

3D XPoint闪存是Intel掌控未来NAND市场的杀手锏

这个3D XPoint闪存我们之前也报道过很多了，根据Intel官方说法，3D XPoint闪存各方面都超越了目前的内存及闪存，性能是普通闪存的1000倍，可靠性也是普通闪存的1000倍，容量密度是内存的10倍，而且是非易失性的，断电也不会损失数据。

由于还没有上市，而且Intel对3D XPoint闪存口风很严，所以我们无法确定3D XPpoint闪存背后到底是什么，不过比较靠谱的说法是基于PCM相变存储技术，Intel本来就是做存储技术起家的，虽然现在的主业是处理器，但存储技术从来没放松，在PCM相变技术上也研究了20多年了，现在率先取得突破也不是没可能。

相比目前的3D NAND闪存，3D XPoint闪存有可能革掉NAND及DRAM内存的命，因为它同时具备这两方面的优势，所以除了做各种规格的SSD硬盘之外，Intel还准备推出DIMM插槽的3D XPoint硬盘，现在还不能取代DDR内存，但未来一切皆有可能。

最后再回到我们开头提到的问题上——中国大陆现在也把存储芯片作为重点来抓，武汉新芯科技（XMC）已经在武汉开工建设12英寸晶圆厂，第一个目标就是NAND闪存，而且是直接切入3D NAND闪存，他们的3D NAND技术来源于飞索半导体（Spansion），而后者又是1993年AMD和富士通把双方的NOR闪存部门合并而来，后来他们又被赛普拉斯半导体以40亿美元的价格收购。

2015年新芯科技与飞索半导体达成了合作协议，双方合作研发、生产3D NAND闪存，主要以后者的MirrorBit闪存技术为基础。不过小编搜遍了网络也没找到多少有关MirrorBit的技术资料。这两家公司的闪存技术多是NOR领域的，3D NAND显然是比不过三星、SK Hynix及东芝等公司的，有一种说法是MirrorBit的堆栈层数只有8层，如果真是这样，相比主流的32-48层堆栈就差很远了，成本上不会有什么优势。

比指甲盖还小的存储卡 凭啥速度堪比SSD

存储卡是一种通用型的存储外设，它适用于手机、平板、相机、无人机、行车记录仪、监控摄像头等数码设备。然而，存储卡的读写速度始终是它的最大瓶颈，也是高端智能手机们取消对其支持的最大借口。那么，存储卡都有哪些标准，它有没有机会获得媲美SSD的性能，并重新被高端手机接纳呢？

不断扩容的存储卡

存储卡曾经包括Secure Digital Memory Card（SD）、Micro SD Card（又称TF）、Compact Flash（CF）、Memory Stick（MS）等形态，但如今依旧流行的则只剩下了SD和MicroSD。

其中，随着SD卡容量的不断提升，这两种形态的存储卡还进一步衍生出了SDHC（SD High Capacity）、SDXC（SD eXtended Capacity）和SDUC（SD Ultra Capacity）标准，有关它们的差别请参照下表（表1）。

从容量上来看，SD卡很好地完成了外置存储设备的本职工作，它所提供的容量恰好可以满足同期数码产品的扩容需要。

然而，容量是够用了，但速度呢？

不断提速的存储卡

在讨论存储卡的速度之前，我们不妨先来回顾一下SSD固态硬盘的发展历程。

SSD和存储卡一样，都使用NAND闪存作为存储介质，在使用SATA3.0总线接口时可以取得550MB/s左右的读取和520MB/s左右的写入速度（顺序速度，下同），将HDD机械硬盘远远甩在身后。

然而，作为SSD的消费主力，PC对存储性能的需求是无止境的，SATA总线很快就成为了制约整机性能发挥的瓶颈。

笔记本身上支持SATA/PCIe和仅支持PCIe总线的M.2插槽

因此，SSD开始改换门庭，尝试使用PCI-E总线（包括PCI-E2.0和PCI-E3.0，以及双通道和四通道，比如PCI Express Gen3.0×4就是四通道的PCI-E3.0总线）的M.2接口，再加上NVMe协议的加持（AHCI协议的进阶版本），让NVMe SSD实现了高达3500MB/s的读取和3000MB/s左右的写入速度，是SATA总线时的6倍~7倍！

可见，总线接口的进化，是SSD能不断提速的核心竞争力。

翻回头再来看看存储卡，这种最小只有指甲盖一般大小的NAND衍生外设，其速度的快慢同样取决于总线接口，而相关的规范技术标准则由SD协会（SD Association，简称SDA）制定，时至今日存储卡规范已经从SD1.0、SD2.0……一路升级到了SD7.1标准（表2）。

在存储卡刚诞生时，对应的SD1.0规范很有意思，它是按照CD-ROM的速度作为1X倍速来定义存储卡的性能，此时存储卡最高读取速度只有12.5MB/s，随后在SD 1.1的规范中引入了HS高速模式，将速度进一步提升到了25MB/s。

在数码相机和智能手机先后普及的年代，用户需要存储卡具备稳定的写入速度来满足连续拍摄功能的需要，因此在SD2.x规范时期SD协会引入了Class x的定义方式，最高等级的Class 10要求存储卡具备最低10MB/s的写入速度，录制标清视频毫无压力。

自SD3.0开始，存储卡支持全新的UHS-I超高速总线接口，它可以与DS和HS模式共存，在不改变存储卡针脚的前提下就能实现50MB/s或104MB/s的理论读取速度。

同时，SD3.0规范还加入了U1和U3的定义方式，将存储卡的写入速度进一步提升到了30MB/s，满足了录制FHD全高清视频的基本要求。

随着4K视频录制需求的兴起，存储卡需要更高的速率才能满足发烧用户的需求，于是，SD协会在SD4.0和SD6.0规范中先后引入了UHS-II和UHS-III总线接口，它们和UHS-I最大的差异就是启用了一排额外的针脚，上方的传统针脚兼容DS、HS和UHS-I总线，而下方的新增针脚则用于识别UHS-II新增的FD156和HD312工作模式。

标准UHS-II SD卡

UHS-II Micro SD卡和标准Micro SD卡对比

两排针脚，让UHS-II从此就有了两条数据传输的线路，一条线路可分配给主机到存储卡，另一条线路则可用于存储卡到主机，并获得了双通道半双工的工作方式。

在“全双工模式”（FD）时，两条线路分别用于传输数据和接收数据，此时其理论传输速率为156MB/s，即FD156。在双通道的“半双工模式”（HD）下，数据可以在两个方向上同时发送或接收数据，从而获得带宽翻番、总线性能加倍的增益效果，让理论传输速率提升到312MB/s，也就是HD312。

SD6.0规范中新增的UHS-III总线接口更厉害，虽然它仅支持以全双工的方式运行，但却将速度提升到了FD312（312MB/s）和 FD624（624MB/s），同时该总线还减少了存储卡从省电状态转变为活动状态所需的时间。

没错，UHS-III总线接口其实更像是专门针对专业摄像机和智能设备定制的新方案，安装在里面的APP不仅运行飞快/连拍和4K视频录制无延迟，从待机到唤醒的延迟更低，还不耽误存储卡长时间处于省电状态。

可以说，从UHS-II总线接口开始，存储卡就具备了挑战手机专用的eMMC5.1闪存的实力，而UHS-III总线接口则可媲美UFS2.0闪存和SATA总线接口SSD固态硬盘的速度。

可惜，虽然SD6.0规范和UHS-III总线技术2017年就已经制定发布，但至今市面上最高档的存储卡却依旧停留在UHS-II总线接口层面。

随着2018年SD7.0规范的推出，存储卡很有可能跳过UHS-III总线，直接拥抱最新的PCI-E总线接口和NVMe协议。

扩展阅读：三星UFS存储卡

除了SD协会规范的UHS-III总线接口可提供媲美SSD的性能以外，由JEDEC（固态技术协会）主导的UFS标准也是给存储卡提速的不二法门，2018年推出UFS v1.1标准的最高存储速度可达1.5GB/s（UFS1.0标准顺序读写速度分别为530MB/s和170MB/s）。UFS存储卡的大小和Micro SD相似，只是外观更像“鲨鱼鳍”，金手指也经过了重新设计。

SD7.x向SSD宣战

2018年6月，SD协会正式公布了SD7.0规范，它主要包括两个全新的特性：第一是让存储卡能通过用PCIe Gen3.0×1总线接口和NVMe协议传输数据，将理论传输（读取）速度从UHS-III总线最高的624MB/s提升到了985MB/s；第二则是定义了全新的“SDUC”标准，将存储卡容量从2TB扩容到最高128TB。

符合SD7.0规范的存储卡将被称为“SD Express”（存储卡表面会增加Express或EX的标识），它的外观样式和现有的SD卡相同，只是和UHS-II/III一样，在原有的金属接点下方增加了10个新针脚。

2019年初，SD协会更新了SD7.1规范，加入Micro SD Express来满足手机等小尺寸设备在未来的应用需求，通过PCI-E总线接口提供985MB/s理论频宽，同时运用NVMe v1.3通讯协定来提升数据吞吐量。

小提示： SDUC只是容量标准，采用UHS总线接口的存储卡要是容量超过你2TB也能被称为SDUC存储卡。现阶段SD Express存储卡的容量还停留在GB级别，所以未来很长一段时间里，SD Express还都属于SDXC存储卡的范畴。

和过去一样，SD Express存储卡同样向下兼容所有的SD读卡器（或手机、无人机、数码相机等终端设备，下同），但要想获得985MB/s的理论值需要搭配SD Express专用的读卡器，在支持UHS-II/III总线接口的读卡器（或设备）上则仅能取得104MB/s的传输速度。同理，UHS-II/III存储卡碰到SD Express专用的读卡器（或设备）时也会被限速到104MB/s。

目前，瑞昱和群联都已发布支持SD7.x的主控，为这种超高速存储卡的普及奠定了基础。 其中，瑞昱符合SD 7.0规范的主控制器型号为“RTS5261”，其读取速度最高为985MB/s。群联的SD 7.1规范主控型号为“PS5017”，完全支持SD 7.0和SD 7.1，也是当前第一款同时实现了SD Expess、Micro SD Express的方案。PS5017支持3D TLC/QLC闪存，支持ONFI、Toggle 2.0接口，读/写速度最高分别为900MB/s和500MB/s，同样堪比PC领域入门级的PCIe NVMe SSD。

前不久西部数据也曾在ComputeX2019上展示了Micro SD Express标准的存储卡，在现场 DEMO测试中，其连续读取速度为888.9MB/s，写入速度也达到了428.2MB/s，传输一份12GB容量的文件不足30秒。同时，JMicro（智微科技）也表示将和西部数据同步推出相应的SD7.x读卡器，让这种新一代高速存储卡能有用武之地。

实际应用路漫漫

当PC都用上SSD，手机集成UFS闪存之后，再使用传统存储卡作为数据的周转无疑就是一种体验上的倒退。当SD7.1规范和Micro SD Express存储卡诞生后，则为整个移动行业提供了一个引人注目的新选择——手机等移动设备终于可以用上能随时安装或取出的“移动SSD”了，接近1000MB/s的传输速度，足以满足手机上具有高速要求的应用程序、不断发展的游戏系统、多信道物联网设备、众多汽车应用、更高分辨率的移动视频、动作相机、360度视频和VR等应用场景的交互需求。

小提示： 最新的SD7.1规范还有一个隐藏卖点，那就是使用的PCI-E 3.1总线包含低功耗子状态（L1.1， L1.2），可进一步降低存储卡待机时的耗电。

但是，就好像UHS-II存储卡至今也没能在手机和PC圈普及一样，（Micro）SD Express存储卡虽然拥有更极致的速度表现，但周边生态并不完善，生产成本也相对高昂，短时间内它主要的应用领域还是4K/8K视频摄像机、无人机等高端领域，什么时候我们新买的笔记本和手机都标配支持SD Express的读卡器，它才具备真正的普及机会。

此外，存储设备在长时间运行时都会遭遇一个严峻的考验，那就是发热。PC上的PCIe NVMe SSD往往需要搭配金属散热片（或借助笔记本底盖散热）才能保证不掉速，超过200MB/s速度的闪存盘在全速运行时表面也非常烫手。

作为速度接近1000MB/s、尺寸只有指甲盖大小、使用塑料材质基板且无任何散热措施的SD Express存储卡，你能想象它的“热情”吗？

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