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nand flash物理结构 NAND Flash层数之争：谁先触抵天花板？

发布时间 : 2024-11-24

作者 : 小编

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NAND Flash层数之争：谁先触抵天花板？

得益于5G、大数据、云计算、物联网、人工智能等新兴产业的快速发展，存储器需求呈现倍数增长，发展空间广阔。其中，NAND Flash作为半导体存储器第二大细分市场，自然也备受关注。

回溯NAND Flash的历史

经历了半个世纪发展的半导体存储技术，如今已逐渐成熟，其衍生出的存储技术中包括Flash技术。

Flash技术分为NAND Flash和NOR Flash二种。虽然NOR Flash传输效率很高，但写入和擦除速度很慢，容量也较小，一般为1Mb-2Gb，常用于保存代码和关键数据，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。NAND Flash具有写入、擦除速度快、存储密度高、容量大的特点，也因此迅速成为了Flash主流技术。

NAND Flash技术自问世以来，已经积累了近40年的发展底蕴，并已成为存储器第二大细分市场。按存储单元密度来分，NAND Flash可分为SLC、MLC、TLC、QLC等，对应1个存储单元分别可存放1、2、3、4bit的数据。目前NAND Flash主要以TLC为主，不过QLC比重正在逐步提高。

值得一提的是，被提出很多年但一直没有商用落地的PLC终于露出水面。

今年8月初，SK海力士旗下NAND闪存解决方案提供商Solidigm在闪存峰会上展示了全球首款正在研发的PLC（五层单元）SSD。与QLC（四层单元）SSD相比，PLC SSD可在每个存储单元内存储5bit的数据。

NAND闪存从SLC、MLC、TLC、QLC及PLC一路走来，容量逐步上升，可市场更关心的是性能、可靠性、寿命、成本等问题是否也可以跟着优化。据Solidigm介绍，在相同的空间内，使用PLC SSD存储数据量可增加25%，可以用来解决固态存储未来的成本、空间和能耗等问题。该款SSD将首先用于数据中心产品，具体发布和上市时间待定。

从闪存结构来看，为满足各时期的市场需求，NAND Flash技术已从2D NAND升级到3D NAND，再到4D NAND。

时光追溯到1987年，时任日本东芝公司工程师岡本成之提出的一项发明彻底改写了人类信息时代的面貌，即2D NAND。当时东芝（2019年更名为铠侠）虽占据NAND Flash市场先机，但东芝战略重心偏向DRAM市场，忽略了NAND Flash的发展潜力。之后，英特尔和三星迅速加入市场，推出了2D NAND产品。

随后，全球厂商都围绕着2D NAND进行研发，随着2D NAND的线宽已接近物理极限，3D NAND应运而生 。

2007年，东芝推出BiCS类型的3D NAND。2D NAND的含义其实是二维平面堆叠，而3D NAND，顾名思义就是立体堆叠。3D NAND的到来，让NAND Flash技术直接从二维升华到三维的密度。

按英特尔的说法，2D NAND就像在一块有限的平面上建平房，这些平房整齐排列，随着需求量不断增加，平房的数量也不断增多，可面积有限，只能容纳一定数量的平房。相较于2D NAND，3D NAND则可以在同一块平面上建楼房，楼层越高，容量也就越大，在同样的平面中楼房的容积率远远高于平房，提供了更大的存储空间。可见，随着市场对存储性能需求的提升，2D NAND过渡到3D NAND是大势所趋的。

3D NAND自2007年进入大众视野后，2014年正式商用量产 。

2013年，三星推出第一代V-NAND（三星自称3D NAND为V-NAND）闪存。据三星介绍，V-NAND技术采用不同于传统NAND闪存的排列方式，通过改进型的Charge Trap Flash技术，在一个3D的空间内垂直互连各个层面的存储单元，使得在同样的平面内获得更多的存储空间。虽然该款堆叠层数仅为24层，但在当时却打破了平面技术的瓶颈，并使3D NAND Flash从技术概念推向了商业市场。

2014年，SanDisk和东芝宣布推出3D NAND生产设备；同一年，三星率先发售了32层MLC 3D V-NAND，这也意味着3D NAND正式商用化。继三星之后，美光也实现了3D NAND商用化。凭借其在容量、速度、能效及可靠性的优势，3D NAND逐渐成为行业发展主流。

3D之后，4D NAND悄然来临 。SK海力士在2018年研发的96层NAND Flash已超越了传统的3D方式，并导入4D方式，该款也成为了全球首款4D NAND Flash。

据了解，4D NAND技术是由APlus Flash Technology公司提出，其技术原理是NAND+类DRAM的混合型存储器，采用了“一时多工”的平行架构，而3D NAND只能执行“一时一工”。若一到十工同时在4D闪存系统执行时，其速度会比3D NAND快一到十倍。虽然相比3D方式，4D架构具有单元面积更小，生产效率更高的优点。不过，目前市面上还是以3D NAND为主。

从平房到摩天大楼，各大原厂的谋略

随着应用领域和使用场景愈发多样化，市场对NAND Flash的要求也随之提升，譬如想要更高的读写速度、最大化的存储容量、更低的功耗和成本等。可采用二维平面堆叠方式的2D NAND已经不再能满足市场的需求，这一切也促使NAND厂商必须谋定而后动，之后便沉下心来埋头研发，NAND Flash结构也从平房蜕变到摩天大楼。

采用三维平面堆叠方式3D NAND虽大大增加了存储空间，但如何突破3D NAND层数瓶颈，堆叠更高的摩天大楼，一直是市场的焦点，也是NAND厂商研发的痛点。在此之下，一场有关NAND Flash的层数之争已持续数年，NAND厂商早已吹响冲锋集结号，这一路也取得了不少的成就。

自2012年24层BiCS1 FLASHTM 3D NAND Flash之后，铠侠还研发出了48层、64层、96层、112层/128层。2021年，铠侠联手西部数据突破162层BiCS6 FLASHTM 3D NAND Flash。今年5月，西部数据与铠侠未来的路线图指出，预计2024年BiCS+的层数超过200层，如果一切按计划进行，2032年应该会看到500层NAND闪存。

最早在3D NAND领域开拓疆土的是韩国厂商三星。2013年8月，三星推出V-NAND（3D NAND）闪存，这也是全球首个3D单元结构“V-NAND”。之后，三星还陆续推出了32层、48层、64层、96层、128层、176层的V-NAND。2021年末，三星曾透露正在层数200+的V-NAND产品，目前暂未披露相关信息。

作为韩国第二大存储厂商的SK海力士也不甘落后，在2014年研发出3D NAND产品，并在2015年研发出36层3D NAND，之后按照48层、72层/76层、96层、128层、176层的顺序陆续推出闪存新产品。2022年8月3日，SK海力士再将层数突破到238层的新高度，该层数是当前全球首款业界最高层数NAND闪存，产品将于2023年上半年投入量产。

2016年，美光发布3D NAND，虽然发出时间晚于三星等上述几家厂商，但后期美光的研发实力不容小觑。在2020年美光抢先推出当时业界首款176层3D NAND，后又于2022年7月率先推出全球首款232层NAND，该产品现已在美光新加坡工厂量产。美光表示，未来还将发力2YY、3XX与4XX等更高层数。

目前从原厂动态来看，SK海力士和美光率先进入200+层时代，其中NAND闪存业界最高层数为SK海力士的238层，其次是美光的232层。主流技术NAND Flash 3D堆叠层数已跨越176层、232层、迈进238层，未来原厂还将发力200+层、300层、400层、甚至500层以上NAND技术。

在2021年IEEE国际可靠性物理研讨会上，SK海力士预测，3D NAND未来将达到600层以上。另有一些行业专家认为，3D NAND可以堆叠到1000层。可见，隔NAND Flash技术的天花板还有很高的距离。

△Source：全球半导体观察根据公开信息整理

NAND Flash未来既柳暗，又花明？

此前在5G手机、服务器、PC等下游需求驱动下，NAND Flash市场以可见的速度在增长。可今年，受疫情反复、通货膨胀、俄乌冲突等因素影响，全球形势变化多端。同时，存储器市场供需与价格波动时刻受产业发展动态影响，而作为存储器市场的主要构成产品之一，NAND Flash也不例外。

01、供需失衡

从消费端看，PC、笔电、智能手机等消费电子市场需求疲软，也影响到中上游产业链。其中，智能手机需求萎缩明显，出货量也随之减少。据TrendForce集邦咨询表示，受到传统淡季的加乘效应，使得2022年第一季智能手机生产表现更显疲弱，全球产量仅达3.1亿支，季减12.8%。

业内人士普遍认为，持续下降的最大原因是消费者使用智能手机的时间比以前更长。再加上智能手机技术更新快，新型号手机的性能与之前型号并无特别大的差距，从某种程度上看，这也降低了消费者的购买欲。

从供应端来看，TrendForce集邦咨询7月表示，由于需求未见好转，NAND Flash产出及制程转进持续，下半年市场供过于求加剧，包含笔电、电视与智能手机等消费性电子下半年旺季不旺已成市场共识，物料库存水位持续攀升成为供应链风险。因渠道库存去化缓慢，客户拉货态度保守，造成库存问题漫溢至上游供应端，卖方承受的抛货压力与日俱增。

TrendForce集邦咨询预估，由于供需失衡急速恶化，第三季NAND Flash价格跌幅将扩大至8~13%，且跌势恐将延续至第四季。

02、原厂持坚定信念

受手机与个人电脑等消费电子市场需求疲软等因素影响，美光于6月悲观预测，今年第四财季营收为72亿美元，上下4亿美元浮动，这一数据低于业界预期；又于8月再度下调第四季度业绩指引，该季度经调整营收将位于或低于此前预计的68-76亿美元区间下沿。

此前美光首席执行官Sanjay Mehrotra在财报电话会议上表示，预计智能手机销量将较去年下降约5%，而个人电脑销量可能比去年下降10%，美光正在调整产量增长，以适应需求的减弱。不过，TrendForce集邦咨询8月在最新的研究指出，受到高通胀冲击，全球对于消费市场普遍抱持并不乐观的态度，基于周期性的换机需求以及新兴地区的新增需求带领下，智能手机生产量仍会小幅上升。

SK海力士此前也预测，由于搭载存储器的电脑和智能手机的出货量将低于原来的预测，并且服务器用存储器的需求也因客户的库存优先出货，预计下半年的存储器出货量将有所放缓。不过中长期来看，数据中心的存储器需求将持续成长。

三星、SK海力士、美光、西部数据、铠侠等存储器原厂在最新财报中均表示虽然部分市场需求疲软，但都坚定看好产业未来前景，各原厂保持坚定的信心也为存储器市场扫去部分阴霾。

据TrendForce集邦咨询最新研究显示，NAND Flash仍处于供过于求状态，但该产品与DRAM相较更具价格弹性，尽管预期明年上半年价格仍会走跌，但均价在连续多季下滑后，可望刺激enterprise SSD市场单机搭载容量成长，预估需求位元成长将达28.9%，而供给位元成长约32.1%。

结语

长远来看，NAND Flash市场前路虽柳暗，但花明。同时，NAND厂商马不停蹄地研发，今年有的再上升一个台阶，有的还在停步研发，最终谁先触抵NAND Flash层数天花板，我们静待观之。

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通过前天的文章介绍，我们知道eMMC 是 Flash Memory 的一类，eMMC的内部组成是NAND flash+主控IC，那什么是Flash Memory、NOR Flash、NAND Flash，宏旺半导体就和大家好好捋一捋它们几者之间的关系。

Flash Memory 是一种非易失性的存储器。在嵌入式系统中通常用于存放系统、应用和数据等。在 PC 系统中，则主要用在固态硬盘以及主板 BIOS 中。另外，绝大部分的 U 盘、SDCard 等移动存储设备也都是使用 Flash Memory 作为存储介质。

1. Flash Memory 的主要特性

与传统的硬盘存储器相比，Flash Memory 具有质量轻、能耗低、体积小、抗震能力强等的优点，但也有不少局限性，主要如下：

需要先擦除再写入

Flash Memory 写入数据时有一定的限制，它只能将当前为 1 的比特改写为 0，而无法将已经为 0 的比特改写为 1，只有在擦除的操作中，才能把整块的比特改写为 1。

块擦除次数有限

Flash Memory 的每个数据块都有擦除次数的限制（十万到百万次不等），擦写超过一定次数后，该数据块将无法可靠存储数据，成为坏块。

为了最大化的延长 Flash Memory 的寿命，在软件上需要做擦写均衡（Wear Leveling），通过分散写入、动态映射等手段均衡使用各个数据块。同时，软件还需要进行坏块管理（Bad Block Management，BBM），标识坏块，不让坏块参与数据存储。（注：除了擦写导致的坏块外，Flash Memory 在生产过程也会产生坏块，即固有坏块。）

读写干扰

由于硬件实现上的物理特性，Flash Memory 在进行读写操作时，有可能会导致邻近的其他比特发生位翻转，导致数据异常，这种异常可以通过重新擦除来恢复，Flash Memory 应用中通常会使用 ECC 等算法进行错误检测和数据修正。

电荷泄漏

存储在 Flash Memory 存储单元的电荷，如果长期没有使用，会发生电荷泄漏，导致数据错误，不过这个时间比较长，一般十年左右，此种异常是非永久性的，重新擦除可以恢复。

2. NOR Flash 和 NAND Flash

根据硬件上存储原理的不同，Flash Memory 主要可以分为 NOR Flash 和 NAND Flash 两类。主要的差异如下所示：

· NAND Flash 读取速度与 NOR Flash 相近，根据接口的不同有所差异；

· NAND Flash 的写入速度比 NOR Flash 快很多；

· NAND Flash 的擦除速度比 NOR Flash 快很多；

· NAND Flash 最大擦次数比 NOR Flash 多；

· NOR Flash 支持片上执行，可以在上面直接运行代码；

· NOR Flash 软件驱动比 NAND Flash 简单；

· NOR Flash 可以随机按字节读取数据，NAND Flash 需要按块进行读取。

· 大容量下 NAND Flash 比 NOR Flash 成本要低很多，体积也更小；

（注：NOR Flash 和 NAND Flash 的擦除都是按块块进行的，执行一个擦除或者写入操作时，NOR Flash 大约需要 5s，而 NAND Flash 通常不超过 4ms。）

2.1 NOR Flash

NOR Flash 根据与 CPU 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 SRAM/DRAM Controller 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，因而支持片上执行。Serial NOR Flash 的成本比 Parallel NOR Flash 低，主要通过 SPI 接口与 Host 连接。

图片： Parallel NOR Flash 与 Serial NOR Flash

鉴于 NOR Flash 擦写速度慢，成本高等特性，NOR Flash 主要应用于小容量、内容更新少的场景，例如 PC 主板 BIOS、路由器系统存储等。

2.2 NAND Flash

NAND Flash 需要通过专门的 NFI（NAND Flash Interface）与 Host 端进行通信，如下图所示：

图片：NAND Flash Interface

NAND Flash 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 的一个存储单元内部，是通过不同的电压等级，来表示其所存储的信息的。在 SLC 中，存储单元的电压被分为两个等级，分别表示 0 和 1 两个状态，即 1 个比特。在 MLC 中，存储单元的电压则被分为 4 个等级，分别表示 00 01 10 11 四个状态，即 2 个比特位。同理，在 TLC 中，存储单元的电压被分为 8 个等级，存储 3 个比特信息。

图片： SLC、MLC 与 TLC

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。下图中，给出了特定工艺和技术水平下的成本和寿命数据。

相比于 NOR Flash，NAND Flash 写入性能好，大容量下成本低。目前，绝大部分手机和平板等移动设备中所使用的 eMMC 内部的 Flash Memory 都属于 NAND Flash，PC 中的固态硬盘中也是使用 NAND Flash。

3. Raw Flash 和 Managed Flash

由于 Flash Memory 存在按块擦写、擦写次数的限制、读写干扰、电荷泄露等的局限，为了最大程度的发挥 Flash Memory 的价值，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）。

在具体实现中，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。

图片： Raw Flash 和 Managed Flash

Raw Flash

在此类应用中，在 Host 端通常有专门的 FTL 或者 Flash 文件系统来实现坏块管理、擦写均衡等的功能。Host 端的软件复杂度较高，但是整体方案的成本较低，常用于价格敏感的嵌入式产品中。通常我们所说的 NOR Flash 和 NAND Flash 都属于这类型。

Managed Flash

Managed Flash 在其内部集成了 Flash Controller，用于完成擦写均衡、坏块管理、ECC校验等功能。相比于直接将 Flash 接入到 Host 端，Managed Flash 屏蔽了 Flash 的物理特性，对 Host 提供标准化的接口，可以减少 Host 端软件的复杂度，让 Host 端专注于上层业务，省去对 Flash 进行特殊的处理。eMMC、SD Card、UFS、U 盘等产品是属于 Managed Flash 这一类。

看完这篇文章，相信对Flash memory都会有一个全面的了解，无论是其原理，还是NOR Flash 和 NAND Flash、Raw Flash 和 Managed Flash 之间的异同，欢迎关注宏旺半导体，会持续带来存储领域更专业的文章。

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