3D NAND，可以怎么玩？

相信我们都有所体会，当我们在购买苹果手机时，不同的内存大小价格也差距很大，这个内存指得就是闪存（Flash），苹果是第一家利用闪存来存储数据的公司。闪存又包括NOR Flash和NAND Flash二种，不过NOR Flash的容量较小一般为1Mb-2Gb，而NAND Flash能提供极高的单元密度，可达到高存储密度，适用于大量数据的存储，因此也是主流的闪存技术。从2018年开始，全球大多数的智能手机都已开始使用3D NAND存储芯片，不仅是智能手机，3D NAND芯片在数据中心、云、服务器、SSD、PC等领域也非常受欢迎。

在3D NAND技术推出之前，NAND闪存均为2D平面形式。2D NAND架构的原理就像是在一个有限的平面上盖平房，平房的数量越多，容量也就越大。过往存储芯片厂商将平面NAND中的单元尺寸从120nm扩展到1xnm 节点，实现了100倍的容量。不过随着单元尺寸达到14纳米的物理极限，2D结构在扩展存储容量方面有着很大的局限性（当工艺尺寸达到一定阶段之后，闪存就很容易因为电子流失而丢失其中保存的数据）。

随着2D NAND的微缩达到极限，2007年东芝（现在的铠侠）提出了3D NAND结构的技术理念，3D NAND是行业的一个创新性方向。与减少每个节点单元尺寸的平面NAND不同，3D NAND使用更宽松的工艺，大约介于30 纳米到 50 纳米之间，它通过增加垂直层数来获得更大的存储容量。因此，我们也可以看到，目前主流的存储芯片制造商均在竞相通过增加3D NAND垂直门数，以此来提高存储密度。他们已经规划了下一代3D NAND产品，包括232层/238层，甚至更大到4xx层甚至8xx层。虽说都在盖楼，但是各家盖楼所采用的架构却有所不同。

3D闪存的概念图（图源：铠侠）

2013年，三星率先推出了V-NAND闪存，其中的V代表Vertical，垂直的意思，这是一种通过垂直堆叠3D空间中的穿孔连接其单元层的解决方案。三星是世界上第一家开发和商业化3D内存解决方案的公司，也为存储器行业创造了全新的范例。

2013年，三星所开发的第一个 V-NAND闪存仅有24层，目前三星的V-NAND已经发展到第八代，它共有200多层。2022年11月7日，三星宣布已开始量产具有200层以上的第八代1 TB的3D NAND (V-NAND)，并计划根据消费者需求将其推向市场。 而且三星的目标是到2030年实现1000层。V-NAND闪存不断发展，每一代新的V-NAND都带来了显着的性能提升，以及更低的功耗。

三星86 Gbit 32层第二代V-NAND的横截面

在此，值得一提的是，在V-NAND 128层以前，三星的V-NAND采用的是单层蚀刻技术，它通过圆柱形通道连接电池，能够一次堆叠超过100层，并通过10亿多个孔互连。除了其创新的结构，V-NAND还采用了电荷陷阱闪存 (CTF) 技术来消除单元间干扰。通过在电池中引入非导电的氮化硅层，CTF技术使V-NAND技术免受电荷泄漏和数据损坏的影响。凭借着这一超高纵横比 (UHAR) 孔蚀刻支持的单层技术，三星一直主导着128层的3D NAND。

但是单次刻蚀最多也就到128层，因此，在 128 层设备之外，许多竞争对手采用的都是双层方法，例如美光将两个88层的结构相互堆叠，从而形成一个176层的器件；英特尔的144L 3D QLC设计已经转向了3层堆栈：48 + 48 + 48层，这种方法更容易实施。层数越少，执行HAR蚀刻步骤就越容易。

到了第七代512Gb 176层的TLC芯片，三星开始采用COP（Cell-on-Periphery）结构，后续1Tb 238L TLC产品将是第二代COP TCAT V8 V-NAND。COP结构的存储单元阵列区域位于外围设备上方，但COP结构还是有部分外围设备仍位于单元外部，这意味着必须减少单元阵列以及单元阵列下方和旁边的外围区域，来减小芯片尺寸。

各家存储厂商3D NAND不同架构的比较

（图源：techinsights）

美光从第一代32层3D NAND就开始采用这种在芯片的外围逻辑上构建其3D NAND阵列的方法，美光将之称为是CuA（CMOS-under-array）。该架构为容量增长、密度、性能和成本改进提供了一种扩展方法。将NAND的位单元阵列堆叠成更多层，每平方毫米硅片提供更多bit，从而实现更高的密度和更低的每bit成本。

2022年7月下旬，美光宣布了其232层3D NAND，据美光称，此232层的3D NAND实现每平方毫米最高的TLC密度(14.6 Gb/mm2)。面密度比同类TLC产品高35%到100%。据美光的信息，该3D NAND设备分成六个平面（当今市场上的许多NAND设备只有两个平面，也有的前沿设计采用四个平面分区来通道命令和数据流），以实现更高的并行度，从而提高性能。在每个芯片的基础上，增加的并行性通过支持可以同时向 NAND 设备发出更多的读写命令，提高了顺序和随机访问的读写性能。就像高速公路一样，车道越多，拥堵越少，通过给定区域的交通流量就越大。目前美光的232 层 NAND已出货。

232层，2 stack CuA NAND

（图源：美光）

英特尔和美光此前研发了FG CuA 3D NAND，在此科普一下，NAND闪存的存储单元技术大致分为浮栅（FG）技术和电荷陷阱（CT）技术。FG技术存储单元有一个栅极（浮动栅极），它在单元晶体管的控制栅极和沟道之间电浮动，通过向浮动栅极注入电荷（改变单元晶体管的阈值）来写入数据。

此前的2D NAND闪存所使用主流技术正是FG技术，不过随着NAND闪存技术从2D走向3D，除了英特尔-美光联盟外，各大厂商都放弃了FG技术，转而采用CT技术，如上文中提到的三星。采用CT技术的主要原因是CT技术在制造通孔存储器时比FG技术简单。而FG 技术因其卓越的数据保留特性、高温特性和优于CT技术的可控性而受到高度评价。

英特尔-美光联盟开发的3D NAND闪存技术共有三代，第一代是结合了32层内存通孔和TLC（3bit/cell）型多级内存的硅die，内存容量为384Gbit。第二代全面引入了CuA技术,将层数增加一倍至64 层（2个32 层堆叠）的硅芯片，并与 TLC 和 QLC（4 bit/cell）多级存储器技术相结合实现了商业化。第三代达到96层（2个48 层堆叠），存储容量与二代持平，硅面积减少至76%左右。

Intel-Micron联盟的3D NAND闪存技术

（图源：pc.watch）

Intel 第四代的144层转向自研，该NAND string首次在source和bitline之间由三层（upper deck，middle deck，lower deck和48L）组成，并为TLC和QLC设备保留了FG CuA结构。每个deck都可以分配给 QLC 或 SLC 块的任意组合，以充分受益于英特尔在存储系统中的新的block-by-deck概念。

不过英特尔已经退出了3D NAND市场，以90亿美元的价格将该业务出售给了SK海力士。

架构三：BiCS，代表厂商：铠侠/WD/SK海力士

铠侠（Kioxia）和西部数据（WD）正在联合开发名为 BiCS Flash的3D NAND。铠侠的前身是东芝，如开头所述，东芝是世界上第一个发明闪存（1987年）并且提出3D NAND技术的公司。早在Kioxia还是东芝的时候，就与SanDisk建立了闪存合作伙伴关系，后来西部数据收购了SanDisk，东芝成为了Kioxia，两家便成立了合资企业Flash Ventures（FV），成为合作伙伴。FV由WD / Kioxia各拥有50/50的份额，晶圆产能也被分成50/50的份额。

KIOXIA于2007年在学术会议上提出了BiCS FLASH™“批处理技术”的概念。据铠侠对BiCS FLASH™“批处理技术”的解释是：在BiCS FLASH™中，有一个板状电极作为控制栅(下图中的绿色板)和绝缘体交替堆叠，然后垂直于表面同时打开(冲孔)大量的孔。接下来，在板状电极中打开的孔的内部部分填充(堵塞)电荷存储膜(粉红色部分)和柱状电极(灰色部分为柱状结构)。在此条件下，板状电极与柱状电极的交点为一个存储单元。在BiCS FLASH™存储单元中，电子在穿过柱中心的电极（灰色结构）和电荷存储膜（粉红色）之间交换。这样，存储单元不是一层一层地堆叠起来，而是先堆叠板状电极，然后在它们之间开一个孔，连接电极，这样就形成了所有层的存储单元一次性降低制造成本。

BiCs的基本流程

（图源：铠侠）

2015年铠侠&西部数据推出了48层BiCS 3D NAND ，2017年为64层，2018年为96层，2020年达到112层。2021年，铠侠和西部数据宣布了他们的第六代 BiCS 3D NAND 技术，该技术有162层，这也是采用CuA概念的第一款产品。西部数据透露的路线图中显示，下一代“BiCS+”将在2023 年底推出，层数应增加到200多个。

西部数据的NAND发展路线图

（图源：西部数据）

作为全球最主要的NAND闪存公司之一，SK海力士是最后一家开发3D NAND闪存技术的公司。据Tech insights的分析，从2015年到2019年，SK Hynix陆续开发了四种类型的存储单元阵列：2015年至2016年开发的首个存储单元阵列采用类似于Kioxia开发的称为“ SP-BiCS”的单元阵列“ P-BiCS”的结构，似乎是32层；2017年其又开发了存储单元阵列的改进版本—“ DP-BiCS Gen1”，估计为48层；2018年，SK海力士开发了一种名为“ DP-BiCS Gen2”的存储单元阵列，该阵列具有将存储堆栈分为两个“层”（也称为“甲板”）的结构，估计为72层。

SK海力士的3D NAND架构发展

（图源：Tech insights）

架构四：4D PUC，代表厂商：SK海力士

2018年11月，从第四代96层3D NAND开始，SK海力士推出了新的命名法——4D PUC（Periphery Under Cell），PUC是一种将外围电路重新定位到电池底部的技术，如下图所示。尽管有这个名字，该公司并没有在四维空间中创建产品，“4”这个数字所代表的其实是一种先进性（而不是指进入第四维度）。它是3D架构变体的商品名，首批所谓的4D NAND设备提升了CTF（电荷撷取闪存）NAND阵列下的外围电路，从而在芯片上节省更多空间，并进一步降低生产成本。按照SK海力士的说法，与3D相比，4D 产品单位单元面积更小，生产效率更高。

SK海力士对4D NAND的解释

（图源：SK海力士）

98层之后，SK海力士陆续开发出128层、176层3D NAND。2022年8月，SK海力士宣布已开发出世界最高238层4D NAND闪存，也是尺寸最小的NAND，预计2023年上半年开始量产。SK 海力士目前的4D NAND技术现已被公认为行业标准。

PUC架构使得4D NAND允许在固定区域内实现高密度，减小了芯片尺寸，但缺点是堆叠技术可能在未来达到极限。SK海力士计划以多站点电池（MSC）为核心来克服这一障碍，通过微制造将现有电池分成两个较小的电池来存储数据，减少电池堆叠的数量，同时水平扩展电池密度，这也是SK海力士 4D 2.0的技术概念的核心要素之一。

架构五：Xtacking，代表厂商：长江存储

3D闪存中除了存储阵列之外这些外围电路会占据相当大的芯片面积，可以看出，上述这些存储厂商所采用的架构大多是是将外围电路放到存储单元下方。而长江存储所采取的是与其他公司完全不同的方法——Xtacking。

Xtacking技术是把存储阵列和外围电路分开来做，分别在两个独立晶圆上加工，虽然NAND闪存不适合用更先进的制程来加工，但是外围的电路却可以。两部分选用合适的工艺节点完成后，完成的内存阵列晶圆通过数十亿个垂直互连通道(VIAs)连接到外围晶圆。如下图所示，将外围电路位于内存之上，然后通过铜混合键合技术堆叠并连接它们，可实现更高的位密度。但是这种粘合技术仍然很昂贵。

图源：长江存储

总结

迄今为止，主流的3D NAND架构大抵有以上这五种：V-NAND、BiCS、CuA（COP）、4D PUC和Xtacking。然而就像盖高楼大厦一样，简单的堆层数不是最终目的，高楼不仅要高，还要保证可以通过安全高效的电梯轻松抵达，即每个存储芯片内部的V-NAND能否以更快、更高效、更省电的方式继续上升？这就非常考验各家的本领。随着NAND技术的进步，局限性也将浮出水面。

美韩垄断97%全球市场，中国巨头攻克重要技术，实现从0到1

在芯片这一领域，其实还有很多的细分领域，例如，存储芯片，射频芯片以及NAND闪存芯片等等，然而，大部分的芯片细分领域都是被国外的企业长期垄断，其中NAND闪存芯片就是一直被美国和韩国这两个国家长期垄断，而中国却是在这一领域占据的份额比较少。

但是，这一局面就要被打破了，中企刚刚传来好消息？我国已经实现对于NAND闪存芯片的重大突破？而且还进行了一项首创？

美韩企业垄断全球97%的市场

在全球NAND闪存芯片领域，美国和韩国的相关企业可谓是该领域当之无愧的佼佼者，因为这两个国家的相关企业已经垄断了全球NAND闪存芯片领域将近97%的市场份额，几乎可以说是没有别的企业可以与之相提并论。

一直以来，美国和韩国的三星、海力士、美光以及英特尔都是NAND闪存芯片领域的巨头，并且是相互竞争，形成了这几家公司垄断的格局。从2019年开始，这些NAND闪存芯片领域的几大巨头都陆续地跨进了100+层时代 。

三星公司在2019年6月，推出了第六代V-NAND100+层TLC3D NAND，并且在8月正式官宣机遇该技术已经批量生产250GB SATA SSD，同年11月实现了第六代512GB TCL 3D NAND的量产。

此外，据韩国的相关媒体报道，三星目前正在开发具有160层堆栈的第7代V-NAND闪存，并且将采用双堆栈技术来达到更多的堆栈层，以此来实现扩大容量和使用范围。遗憾的是，三星公司并没有公布160层的3D闪存的详细技术信息。

SK海力士在2019年6月公开发布128层4D TLC NAND，而且在11月就完成了向主要客户交付128层1TB TLC 4D NAND的工程样品，这些样品包括TB UFS3.1、2TB客户端CSSD，16TB企业级ESSD，2020年下半年已经实现大规模的量产出货。

近日，SK海力士宣布推出基于首款128层1TB TLC4D NAND闪存的企业级SSD—PE8111，是针对读取密集型应用设计的高容量存储解决方案。值得一提的是，也是全球首款在商用方案中应用128层堆叠1TB TLC4D NAND闪存芯片。

至于美光公司，则是在2019年10月将第一批第四代3D NAND芯片流片出样，在2020年的第一季度已经开始批量生产第四代128层3D NAND，然后在第三季度开始出货。预计在2021年，3D NAND将全面进入100+层时代。

英特尔在过去的10年里一直致力于该技术的研发，2018年，英特尔64层1024GB QLC3D NAND问世，2019年，英特尔已经升级到96层，而且进一步的提升整体存储密度，随后，英特尔更是推出了144层QLC3D NAND。

依照目前的情势来看，128层3D NAND已经开始大量进入企业存储市场，如果不把握好技术升级带来的机会，那么就极有可能在新的一轮市场竞争中掉队。从而失去与其他巨头竞争的资格，自此衰落退出NAND闪存芯片市场。

中国巨头攻克重要技术，倪光南院士为此点赞

在NAND闪存芯片这个领域，中国的企业不再是边缘型企业了。据证券时报8月23日的最新报道，中国企业中天弘宇在发布会上指出，该公司刚刚发布了一项先进存储技术，并且拥有国内和国际双重完整知识产权。

此外，该技术还运用了二次电子倍增注入浮栅现象，重构了闪存存储单元结构，值得一提的是这个技术在国际上还是属于首创。中国工程院院士倪光南对此进行了点赞评论，中天弘宇这次曝光的先进存储技术堪称一项重大发明。

该技术对中国半导体行业来说，有着极为重大的意义，这不仅仅是实现了国内存储器底层技术的从0到1的突破，而且对半道义国产化有了徐进作用。值得一体的是，中天弘宇并非是孤军奋战，近年来，涌现的半导体企业长江存储的实力也是不容小觑。

长江储存，实现重大突破

在中国的NAND闪存芯片市场，2019年半导体存储器国内市场规模为415.8亿美元，占据全球将近35%的销售额，然而，纵然我国拥有如此广阔的市场规模，却是依然在依赖于进口，都是被美韩企业垄断了。

在现状和困境的双重压力之下，国内的一些相关企业，相继发力。其中，NAND Flash作为存储芯片的重要产品之一，是长江存储重点攻克的领域所在，不过好在皇天不负有心人，在经历了很多的挫折与困难之后，长江存储终于迎来了新的里程碑。

4 月 13 日，长江存储宣布 128 层 QLC 3D NAND 闪存（X2-6070）研发成功，且已在群联和联芸两家控制器厂的 SSD 上通过验证。

据长江存储介绍，X2-6070 是业内首款 128 层 QLC 规格的 3D NAND 闪存，也是我国首款 128 层 3D NAND 闪存芯片，拥有业内已知型号产品中最高单位面积存储密度（QLC，4 bit/cell），最高 I/O 传输速度（1.6G/s）和最高单颗 NAND 闪存容量（1.33Tb），是上一代 64 层单颗芯片容量的 5.33 倍。

X2-6070 将率先应用于消费级 SSD，并逐步进入企业级服务器、数据中心等领域，以满足未来 5G、AI 时代多元化数据存储需求。此次同时发布的还有 128 层 512Gb TLC 规格闪存芯片（X2-9060），以满足不同应用场景的需求。

长江存储预计，128 层产品今年底到明年上半年量产，维持明年单月 10 万片产能目标不变。当下，长江存储产能为 2 万片 / 月， 12 寸晶圆厂的 64 层芯片产能还是属于爬升期，处于 64 层 eMMC、UFS、SSD 产品最后的研发阶段。

此外，得益于 Xtacking 架构对 3D NAND 控制电路和存储单元优化，128 层系列产品中，Xtacking 已全面升级至 2.0，释放 3D NAND 闪存潜能。长江存储填补了我国在 3D NAND 闪存芯片领域的空白，它是目前中国唯一能够在该领域实现量产的厂商。其是当今国际闪存市场的主流技术，众多韩国闪存大厂也刚量产不久。

写在最后‍‍

对于国内的存储产业来说，想要打破美韩企业的垄断，必须大力发展相关的技术，只有这样，才能让我国存储产业逐渐将美韩企业赶出中国，并且在国际市场上与这些企业进行竞争。对此，大家如何看待？欢迎留言和评论！

相关问答

简单的逻辑电路通常是由门电路构成,也可以用三极管来制作,例如,一个NPN三极管的集电极和另一个NPN三极管的发射极连接,这就可以看作是一个简单的与门电路,即...

[最佳回答]Theschematicdiagramorthewiringdiagramisdividedintothreesectionsie.section1,section2...

与非门(英语:NANDgate)是数字电路的一种基本逻辑电路。是与门和非门的叠加,有多个输入和一个输出。若当输入均为高电平(1),则输出为低电平(0);若输入...与...

与非门(英语:NANDgate)是数字电路的一种基本逻辑电路。若当输入均为高电平(1),则输出为低电平(0);若输入中至少有一个为低电平(0),则输出为高电平(...与非门...

1.331芯片内部是由两个NAND门交叉耦合。2.这种交叉耦合的设计可以实现多种逻辑功能,例如AND、OR、NOT等,同时还可以减少电路中的晶体管数量,提高芯片的性能...

是可能的。因为TTL可编程门系列是数字逻辑电路的一种,它由基本逻辑门,比如NAND门、AND门、OR门和XOR门等组成。逻辑功能变换就是通过改变输入的逻辑值...

处理器BCM4709CCortex-A9双核1.4GHz,ROM512MSLCNandFlash,内存256MBDDR3-1600,硬盘存储3.5英寸(标准配置1TB,可选6TB),无线2....

[回答]是and的意思.主要在英语里面有用到,代替and或者在计算机中,或者电路图中,类似于与非门等等.编程语言里面有且的意思.或的符号是|,是and的意思.主...

三输入与门在multisim里得名称为and3。multisim四接口与门怎么找?1.第一是multisim的接口在C盘目录下,然后打开数据库文件,进入设置,再打开就可以找到门了...

[回答]MinnesotaMiningandManufacturingCo明尼苏达矿务及制造业公司