NAND闪存这些年：QLC也没那么脆弱

NAND Flash是目前最常见的存储芯片，当其存储密度不断提升的同时，成本也会变得越来越敏感，因为Flash闪存的成本取决于其芯片面积，所以如果可以在同一区域存储更多数据，Flash将更具成本效益。

我们都知道固态硬盘采用闪存颗粒NAND Flash作为存储介质，所以它是固态硬盘中最重要的构成部分，其好坏也就决定着固态硬盘质量的好坏，而我们目前常见的NAND闪存主要有四种类型：Single Level Cell（SLC），Multi Level Cell（MLC）和Triple Level Cell（TLC），还有一种尚未大规模普及的QLC。

860 QVO

现在我们来认识下SLC、MLC、TLC、QLC

不难理解，MLC Flash是可以在与SLC相同的区域中存储更多的数据，同上，TLC则是在相同的区域内能比MLC存储更多的数据，而QLC则是比TLC能存储更多的数据。

区别

在SLC闪存中，每个存储单元仅存储一位信息，这使得读取单元格更快捷，因为磨损的影响小这也增加了单元的耐久性，进而增加了寿命，但其单元成本较高；MLC闪存每个存储器单元存储两位信息，读取速度和寿命都低于SLC，但价格也便宜2到4倍；MLC闪存的低可靠性和耐用性使它们不适合企业应用，创建了一种优化级别的MLC闪存，具有更高的可靠性和耐用性，称为eMLC；TLC Flash每个存储器单元存储3位信息，优势在于成本与SLC或MLC闪存相比要低得多，较适合于消费类应用，而到QLC Flash则是每个存储器单元能够存储4位信息以存储更多的信息，寿命也会相应低于TLC。

3D NAND助力QLC普及

说到这里就不得不提3D NAND，它的原理就是通过在同一晶片上垂直堆叠多层存储器单元，所以能够实现更大的存储密度。

第一批3D Flash产品有24层。随着该技术的进步，已经制造出32,48,64甚至96层3D闪存。3D闪存的优势在于同一区域中的存储单元数量明显更多。这也使制造商能够使用更大的制程工艺节点来制造更可靠的闪存。

3D NAND

一般来说，厂家为了更大的存储容量会使用更先进的制程工艺提升单位面积的存储容量，但由于闪存独特的电子特性，制程工艺越先进，寿命也就会越短，所以TLC在发展过程中会遇到寿命问题，但由于3D NAND是利用了垂直空间，提升容量。所以厂商没有必要使用更先进的制程工艺，转而使用更为老旧的制程工艺保证TLC的寿命，然后通过3D NAND增加容量。

在主要的NAND厂商中，三星是最早量产了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，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，目前已经发展了五代V-NAND技术，堆栈层数从之前的64层提高到了90层以上，TLC类型的3D NAND核心容量更大，目前最新的技术在自家的860及970系列SSD上都有使用。

860 QVO

QLC能够迅速落地，有如此成就离不开3D NAND技术的发展，正是如此，借助3D NAND技术，QLC才能够实现1000PE的寿命，目前能够推出QLC的厂商，也都是通过3D NAND实现的。大家对QLC的最大焦虑就是寿命，真正了解QLC以后，自然会消除焦虑，目前已经有多家厂商对外表示自家3D QLC闪存的可擦写寿命为1000PE。

三星第五代V- NAND技术已经足够成熟，再配合以QLC闪存这也就使得固态硬盘在容量上轻松步入TB时代，三星作为全球领先的闪存厂商，去年首发采用QLC闪存的SATA SSD,860QVO就已经能够实现单颗1TB的闪存颗粒，目前发售的版本最高甚至可以达到4TB，这也意味着SSD进入TB级时代。

QLC+3D NAND带来更多可能

NAND闪存已经进入3D NAND时代了，在2D NAND闪存时代，厂商为了追求NAND容量的提升，需要不断提升NAND制程工艺，但在3D NAND时代，提升NAND容量靠的不是微缩制程工艺了，而是靠堆栈的层数，所以工艺变得不重要了，比如三星最初的3D NAND闪存使用的还是40nm工艺，可靠性要比20nm、10nm级工艺高得多。

由于TLC问世于2D NAND闪存时代，所以遭遇了诸多寿命、性能上的考验，最初发布的TLC闪存P/E寿命只有100-150次，但是随着NAND技术的进步、纠错技术的改良，P/E寿命不断提升，从TLC闪存的进阶之路我们便不难看出这个道理，所以这个发展之路对于QLC闪存同样适用。

任何新技术的普及都不是一帆风顺的，所以大家对QLC闪存的寿命担心也很正常，从内部结构来看，确实QLC闪存的寿命要低于TLC，但现在3D NAND时代的QLC闪存在可靠性上跟2D NAND时代的TLC、QLC完全不同，P/E寿命不是问题，目前主流的QLC闪存P/E已经能够达到将近1000，并不比TLC闪存差多少。

连续读写

三星作为全球主要的闪存厂商，新技术一直领先于市场，我们目前已经能够看到消费级的QLC闪存硬盘860QVO，而且三星为其提供了3年时间的质保或者1440TBW的总写入，且连续读写测试能达到跟TLC同级的水平，大约写入100GB时速度下降为100MB/s，但这依旧要远远高于机械硬盘的速度。

QLC闪存现在能够问世从根本上来说是市场需要，我们都知道内存的速度要比SSD快，但是SSD又要比机械盘快，性能虽然逐渐降低，但是换来的是更大的容量，所以随着技术发展势必会有TB级起步的超大容量SSD来取代机械硬盘的位置，而历史将这个任务交给了QLC闪存。

QLC闪存时代已经来临

由于内部架构原因，QLC闪存读写速度要低于TLC闪存，但是要远远高于机械硬盘，并且拥有同等TB级的容量，随着5G逐渐进入商用，我们个人的存储需求势必进一步加大，有不少科研机构预计了我们未来的硬盘使用场景，未来更可能是以500GB左右的TLC或者MLC闪存盘来做系统主盘，用2T或者更大的QLC闪存盘当做仓库盘这样便能完美的发挥各自优点，避开不足。

可以说QLC闪存的时代已经来了，三星QLC闪存已经开始出货，我们在电商平台已经可以看见三星的860QVO在出售，最高容量可以支持4TB，很明显QLC闪存最大的优势是能够实现更大的容量，无论是消费级还是企业级，而这靠TLC是无法实现的。

与机械盘相比，无论是连续读写、随机读写亦或是功耗和噪音它都是完全胜出，所以取代机械硬盘应该只是时间问题了。

完

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长江存储128层3D NAND闪存研发成功“中国芯”实现跨越式发展

4月13日，紫光集团旗下长江存储宣布128层QLC 3D NAND闪存（型号：X2-6070）研发成功，并已在多家控制器厂商SSD等终端存储产品上通过验证。这是全球首款128层QLC规格的3D NAND闪存芯片，也是我国首款128层3D NAND闪存芯片。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。

“存储芯片是整个ICT行业的底盘之一，手机、电脑、服务器等设备都要用它，云计算、5G等技术也是基于存储芯片技术的发展。目前中国在这方面与海外差距较大。”一位电子行业卖方首席研究员表示，“长江存储的128层产品市场销路会不错。”

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。尽管起步晚于国际大厂，但长江存储发展迅速，技术水平已跻身全球第一梯队。

存储器是半导体产业的重要分支。中信证券电子组表示，存储芯片产业2019年全球销售额约1200亿美元，约占全球4000亿美元半导体市场的30％。其中，DRAM约620亿美元，NAND Flash约570亿美元。韩美3家DRAM厂商占全球95％的份额，其中韩国厂商三星、SK海力士占75％。韩美日6家NAND Flash厂商占全球99％的份额，其中韩国三星、SK海力士以及日本铠侠（原东芝）3家的份额超过60％。

多个指标业界第一

长江存储有关人士介绍，X2-6070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。

QLC是继TLC后3D NAND新的技术形态，具有大容量、高密度等特点，适合于读取密集型应用。每颗X2-6070 QLC闪存芯片拥有128层三维堆栈，共有超过3665亿个有效的电荷俘获型存储单元，每个存储单元可存储4字位数据，共提供1.33Tb的存储容量。如果将记录数据的0或1比喻成数字世界的小“人”，一颗长江存储128层QLC芯片相当于提供3665亿个房间，每个房间住4“人”，共可容纳约14660亿“人”居住，是64层单颗芯片容量的5.33倍。

闪存和SSD领域知名市场研究公司Forward Insights创始人兼首席分析师Gregory Wong认为，QLC降低了NAND闪存单位字节的成本，更适合作为大容量存储介质。在企业级领域，QLC SSD更适用于AI计算、机器学习、实时分析和大数据中的读取密集型应用。在消费类领域，QLC将率先在大容量U盘、闪存卡和SSD中普及。

与国际大厂同台竞技

2017年7月，长江存储研制成功中国第一颗3D NAND闪存芯片。2018年三季度，32层实现量产。2019年三季度，64层实现量产。为缩小与第一梯队厂商的差距，长江存储跳过96层，攻坚128层。

SK海力士、三星、美光等国际大厂去年陆续发布128层3D NAND产品，计划今年实现规模量产。如今，长江存储成功自研128层闪存芯片。在不久的将来，国产128层系列闪存产品将走向市场，与国际大厂同台竞技。

“3D NAND的难点在于一层层叠上去的时候需要打洞把每一层连接起来，层数越多需要打的洞就越多，每一个单位都要打洞，数量可达几百万个。必须保证做到垂直地打洞，不能歪、不能斜，保持均匀。同时，一层一层叠上去的时候会产生压力，芯片的旁边会翘起来。所以，把洞打好和把翘起来的地方压下去、变平，这是最困难的地方。”长江存储执行董事长高启全此前接受中国证券报记者专访时介绍了3D NAND制造工艺的难点。

国内市场需求旺

长期以来，我国使用的存储芯片严重依赖进口。以2018年为例，根据智研咨询统计，我国集成电路进口额达3120亿美元。其中，存储芯片为1230亿美元，占集成电路进口总额的39％。

目前，长江存储、长鑫存储、福建晋华等3家国内厂商正奋力追赶。随着量产的推进，我国依赖进口的局面有望得到缓解。长鑫存储和福建晋华主攻DRAM，前者去年9月宣布内存芯片自主制造项目投产。

当下，长江存储产能为2万片/月，公司表示将尽早达成64层三维闪存产品月产能10万片，并按期（二期）建成30万片/月产能，提升国家存储器基地的规模效应。长江存储当前产能利用率达100％，已全员复工。

“长江存储128层系列产品具有广阔的市场应用前景。其中，128层QLC版本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。”长江存储市场与销售高级副总裁龚翊说。

本文源自中国证券报

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