过于关注3D NAND闪存层数可能是一种误导

NAND非易失性闪存存储器作为存储行业的突破性革新已有多年发展历史，随着2D NAND容量达到极限，以及晶体管越来越小，NAND的编程时间变长，擦写次数变少，能够将内存颗粒堆叠起来的3D NAND应运而生，可以支持在更小的空间内容纳更高的存储容量，在需要存储海量数据的时代有着重大价值。

依托于先进工艺的3D NAND，氧化层越来越薄，面临可靠性和稳定性的难题，未来的3D NAND将如何发展？如何正确判断一款3D NAND的总体效率？

图片源自长江存储

在2020年的闪存峰会上，TechInsights高级技术研究员Joengdong Choe发表了相关演讲，详细介绍了3D NAND和其他新兴存储器的未来。TechInsights是一家对包括闪存在内的半导体产品分析公司。

3D NAND路线图：三星最早入局，长江存储跨级追赶

Choe介绍了2014-2023年的世界领先存储公司的闪存路线图，包括三星、铠侠（原东芝存储）、英特尔、美光、SK 海力士和长江存储等公司的3D NAND技术发展路线。

Choe给出的路线图显示，三星电子最早在3D NAND开拓疆土，2013年8月初就宣布量产世界首款3D NAND，并于2015年推出32层的 3D NAND，需要注意的是，三星将该技术称之为V-NAND而不是3D NAND。

之后，三星陆续推出48层、64层、92层的V-NAND，今年又推出了 128层的产品。

SK 海力士稍晚于三星，于2014年推出3D NAND产品，并在2015年推出了36层的3D NAND，后续按照48层、72层/76层、96层的顺序发展，同样在今年推出128层的3D NAND闪存。

美光和英特尔这一领域是合作的关系，两者在2006年合资成立了Intel-Micron Flash Technologies（IMFT）公司，并联合开发NAND Flash和3D XPoint。不过，两者在合作十多年之后渐行渐远，IMFT于2019年1月15日被美光以15亿美元收购，之后英特尔也建立起了自己的NAND Flash和3D XPoint存储器研发团队。

另外，在路线图中，长江存储于2018年末推出了32层的3D NAND，2020年推出了64层的3D NAND。

从路线图中可以发现，从90多层跨越到100多层时，时间周期会更长。

相较于其他公司，国内公司3D NAND起步较晚，直到2017年底，才有长江存储推出国产首个真正意义上的32层3D NAND闪存。不过长江存储发展速度较快，基于自己的Xtacking架构直接从64层跨越到128层，今年4月宣布推出128层堆栈的3D NAND闪存，从闪存层数上看，已经进入第一梯队。

近期，长江存储CEO杨士宁也在2020北京微电子国际研讨会暨IC World学术会议上公开表示，长江存储用3年的时间走过国际厂商6年的路，目前的技术处于全球一流水准，下一步是解决产能的问题。

值得一提的是，在中国闪存市场日前公布的Q3季度全球闪存最新报告中，三星、铠侠、西部数据、SK 海力士、美光、英特尔六大闪存原厂占据了全球98.4%的市场份额，在剩下的1.6%的市场中，长江存储Q3季度的收入预计超过1%，位列全球第七。

层数并非唯一的判断标准

尽管在各大厂商的闪存技术比拼中，闪存层数的数量是最直接的评判标准之一。

不过，Choe指出，大众倾向于将注意力集中在闪存层数上可能是一种误导 ，因为字线（带有存储单元的活动层）的实际数量会有很大的不同，例如可以将其他层作为伪字线，以帮助缓解由较高层数引起的问题。

Choe表示，判断3D NAND工作效率的一种标准是用分层字线的总数除以总层数，依据这一标准，三星的拥有最优秀的设计，不过三星也没有使用多个层或堆栈，不像其他厂商当前的闪存那样使用“串堆栈”。

一种提高3D NAND总体效率的方法是将CMOS或控制电路（通常称为旁路电路）放置在闪存层下面。这一方法有许多名称，例如CuA（CMOS-under-Array）、PUC (Periphery-Under-Cell), 或者 COP (Cell-On-Periphery)。

长江存储的设计有些特别，因为它有一些电路在闪存的顶部，而CMOS在连接到闪存之前，是在更大的工艺节点中制造的。Choe认为这种技术有潜力，但目前存在产量问题。

另外，各个公司使用工艺也不尽相同，比较典型的就是电荷撷取闪存技术（Charge trap flash，简称CTF）和传统浮栅存储器技术（Floating gate，简称FG）。

CTF使用氮化硅来存储电子，而不是传统FG中典型的掺杂多晶硅。具体而言，FG将电子存储在栅极中，瑕疵会导致栅极和沟道之间形成短路，消耗栅极中的电荷，即每写入一次数据，栅极电荷就会被消耗一次，当栅极电荷被消耗完时，该闪存就无法再存储数据。而CTF的电荷是存储在绝缘层之上，绝缘体环绕沟道，控制栅极环绕绝缘体层，理论而言写入数据时，电荷未被消耗，可靠性更强。

Choe指出在当前的存储芯片公司中，英特尔和美光一直使用的是传统的浮栅级技术，而其他制造商则依靠电荷撷取闪存设计 。美光直到最近发布176层才更换新的技术，英特尔的QLC在使用浮栅技术的情况下，可以保持更好的磨损性能，但这也会影响其闪存的耐用性、可靠性、可扩展性以及其他性能优势。

下一个十年将指向500层

Choe在演讲中提到，铠侠未来将用到的分离栅结构或分离单元结构技术也很有趣，它可以使存储器的密度直接增加一倍，并且由于分离单元结构的半圆形形状而拥有特别坚固的浮栅结构，具有更强的耐用性。

Choe预计，随着平台或堆栈数量的增加（目前最多为两个），闪存层数将继续增加，每个闪存芯片的存储量也会相应增加。Choe认为，这与其他技术，例如，硅通孔（TSV），叠层封装（PoP / PoPoP）以及向5LC / PLC的迁移一样，都在下一个十年指向500层以上和3 TB裸片。

另外，Choe详细说明了闪存的成本是按照每GB多少美分来计算的，这意味着未来3D闪存的架构将越来越便宜，不过2D闪存的价格依然昂贵，甚至比3D闪存贵很多倍。

谈到尖端闪存技术的推进，Choe认为尖端闪存总是首先进入移动和嵌入式产品，例如5G手机是当下的主要驱动力。他还指出，2D平面闪存仍然有一些应用市场，通常将其视为低延迟SLC用作3D XPiont的存储类内存（SCM）的替代品，如Optane或美光最近发布的X100，尽管X100在消费市场并不常见。

目前，100层以上的3D闪存产品，目前已经发布了SK 海力士128L Gold P31和三星128L 980 PRO，美光最近也基于176L flash发布了Phison E18的硬盘原型。另外，西部数据和铠侠的BiCS5和英特尔的144层产品将在明年发布。

更好的控制器需要更高密度的闪存，未来几年闪存将向更快和更大容量的方向发展。

本文编译自：https://www.tomshardware.com/news/techinsights-outlines-the-future-of-3d-nand-flash

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闪存颗粒到底是何物？浅析闪存及制程

如果用一个词来描述2016年的固态硬盘市场的话，那么闪存颗粒绝对是会被提及的一个关键热词。在过去的2016年里，围绕着闪存颗粒发生了一系列大事，包括闪存颗粒的量产引发固态涨价，闪存颗粒的制程问题引发的厂商竞争，以及“日经贴”般的MLC/TLC颗粒的优劣问题。

那么，到底什么是闪存颗？2D NAND和3D NAND之间又有哪些区别和联系？下面，我们一一来解读。

闪存颗粒到底是什么？

闪存颗粒，又称闪存，是一种非易失性存储器，即在断电的情况下依旧可以保存已经写入的数据，而且是以固定的区块为单位，而不是以单个的字节为单位。

根据用途和规格不同，闪存颗粒有很多不同的变种，今天我们主要讨论的是用于固态硬盘等存储设备中的、最为常用的NAND闪存颗粒。

NAND闪存颗粒，是闪存家族的一员，最早由日立公司于1989年研制并推向市场，由于NAND闪存颗粒有着功耗更低、价格更低和性能更佳等诸多优点，成为了存储行业最为重要的存储原料。

根据NAND闪存中电子单元密度的差异，又可以分为SLC（单层次存储单元）、MLC（双层存储单元）以及TLC(三层存储单元)，此三种存储单元在寿命以及造价上有着明显的区别。

在这里我们就不再展开讨论了。

2D和3D闪存之间的区别和联系

在解释3D NAND之前，我们先得弄清楚2D NAND是什么，以及“2D”和“3D”的真实含义。

首先是2D NAND，我们知道在数学和物理领域，2D/3D都是指的方向，都是指的坐标轴，“2D”指的是平面上的长和宽，而“3D”则是在“2D”基础上，添加了一个垂直方向的“高”的概念。

由此，2D NAND真实的含义其实就是一种颗粒在单die内部的排列方式，是按照传统二维平面模式进行排列闪存颗粒的。

相对应的，3D NAND则是在二维平面基础上，在垂直方向也进行颗粒的排列，即将原本平面的堆叠方式，进行了创新。

利用新的技术(即3D NAND技术)使得颗粒能够进行立体式的堆叠，从而解决了由于晶圆物理极限而无法进一步扩大单die可用容量的限制，在同样体积大小的情况下，极大的提升了闪存颗粒单die的容量体积，进一步推动了存储颗粒总体容量的飙升。

同时，在业界，根据在垂直方向堆叠的颗粒层数不同，和选用的颗粒种类不同，3D NAND颗粒又可以分为32层、48层甚至64层 3D TLC/MLC颗粒的不同产品，这取决于各大原厂厂商的技术储备和实际选用的颗粒种类。

我们可以打个比方，来理解2D NAND和3D NAND技艺之间的区别和联系。

2D NAND就如同在一块有限的平面上建立的数间平房，这些平房整齐排列，但是随着需求量的不断增加，平房的数量不断井喷，可最终这块面积有限的平面只能容纳一定数量的平房而无法继续增加；

3D NAND则就如同在同一块平面上盖起的楼房，在同样的平面中，楼房的容积率却远远高于平房，因而它能提供更多的空间，也就是提供了更大的存储空间，而32层、48层以及64层，则就是这些楼房的高度，一共堆叠了多少层。

虽然，3D NAND技术能够在同等体积下，提供更多的存储空间，但是这项堆叠技术对于原厂制造商来说有着相当的操作难度，需要原厂有着相当的技术积累，因而目前能够掌握3D NAND技术的原厂公司十分少见，只有三星、美光等少数公司的3D NAND颗粒实现了量产和问世。

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