3D NAND还是卷到了300层

作者：米乐

近日，三星电子宣布计划在明年生产第 9 代 V-NAND 闪存，据爆料，这款闪存将采用双层堆栈架构，并超过 300 层。

同样在8月，SK 海力士表示将进一步完善 321 层 NAND 闪存，并计划于 2025 年上半期开始量产。

(相关资料图)

早在5月份，据欧洲电子新闻网报道，西部数据和铠侠这两家公司的工程师正在寻求实现8平面3D NAND设备以及超过300字线的3D NAND IC。

3D NAND终究还是卷到了300层……

01、层数“争霸赛”

众所周知，固态硬盘的数据传输速度虽然很快，但售价和容量还都是个问题。这种宽度为2.5英寸的硬盘用来容纳存储芯片的空间较为有限，容量越高的芯片可以增加硬盘的总体存储空间，但更高的成本也拉高了硬盘的售价。

对于这个问题，英特尔可能已经在3D NAND当中找到了解决办法。3D NAND闪存是英特尔和美光的合资企业所研发的一种技术，是一种新兴的闪存类型，通过把内存颗粒堆叠在一起来解决2D或者平面NAND闪存带来的限制。

平面结构的NAND闪存已接近其实际扩展极限，给半导体存储器行业带来严峻挑战。新的3D NAND技术，垂直堆叠了多层数据存储单元，具备卓越的精度。基于该技术，可打造出存储容量比同类NAND技术高达三倍的存储设备。该技术可支持在更小的空间内容纳更高存储容量，进而带来很大的成本节约、能耗降低，以及大幅的性能提升以全面满足众多消费类移动设备和要求最严苛的企业部署的需求。

2007年，随着2DNAND达到其规模极限，东芝率先提出了3D NAND结构概念。2013年三星则率先推出了其所谓的“V-NAND”，也就是3D NAND。

3D设计引入了多晶硅和二氧化硅的交替层，并将浮栅交换为电荷陷阱闪存(CTF)，区别在于FG将存储器存储在导电层中，而CTF将电荷“捕获”在电介质层中。这种3D设计方式不仅带来了技术性能的提升，而且还进一步控制了成本。

此后，三星不断更新技术和扩增产业线，10年间推出了数代产品，以维护自己在NAND闪存市场的地位。其中，2020年，三星推出了176层的第七代“V-NAND”，其采用了“双堆栈”技术，不是一次性蚀刻所有层，而是将它们分成两部分，然后一层一层堆叠。

2022年，美光技术与产品执行副总裁 Scott DeBoer 与高管团队宣布美光下一代 232 层 NAND 闪存将于 2022 年底前实现量产。这表明美光团队在完善和扩大 176 层 NAND 技术应用的同时，同步在努力开发下一代更先进的 NAND 技术。

美光的232 层 NAND是业界的首款232 层 3D NAND ，这项前沿技术已经应用在英睿达（Crucial）旗下几款固态硬盘上，其他搭载这项技术的产品将会陆续上市为消费者带来更大容量、更高密度、更少能耗与更低单位存储成本的存储解决方案。

去年5月美光曝光的技术路线图显示，232层之后美光还将发力2YY、3XX与4XX等更高层数。

大数据、云计算等技术发展，持续提升NAND Flash需求，同时也不断推动着NAND技术的升级和迭代，NAND Flash原厂层数竞争或将更加激烈。

02、300层和300层的不同

SK海力士是业界首家正在开发300层以上NAND闪存的公司。8月9日宣布了321层4D NAND样品的发布。

这是SK海力士第8代3D NAND闪存，容量为1Tb（128GB），具有三级单元（TLC）和超过20Gb/mm^2的位密度（bit density）。该芯片的页容量（page size）为16KB，拥有四个planes，接口传输速率为2400MT / s，最高吞吐量为194MB/s（相比第7代238层3D NAND闪存提高了18%）。密度的提升将降低制造过程中每tb的成本，终端消费者最终能从性能和容量的提升中受益。

据SK海力士介绍，第8代3D NAND闪存主要运用了五个方面的技术，包括引入三重验编程（TPGM）功能，可缩小电池阈值电压分布，将tPROG减少10%，从而提高性能；自适应未选字符串预充电（AUSP），另一种将tPROG降低约2%的方法；编程虚拟串（PDS）技术，降低通道电容负载来缩短tPROG和tR的世界线建立时间；平面级读取重试（PLRR）功能，允许在不终止其他平面的情况下改变平面的读取级别，从而立即发出后续读取命令，最终提高了服务质量（QoS）和读取性能。

它将采用三重堆叠技术，涉及生产三组独立的3D NAND层，每组分别堆叠为120层、110层和91层，然后组合成一个芯片。预计2025年开始量产。

抢先SK海力士一步量产的是它的存储老对手三星，韩国媒体《首尔经济日报》援引业内人士消息称，三星计划于2024年量产超过300层的第9代3D NAND。预计将采用双堆叠技术生产，其中包括在两个独立过程中创建NAND存储器，然后将它们组装在一起。这和SK海力士的技术是不同的。

三星在2022年底就已经开始批量生产采用第8代V-NAND技术的产品，为1Tb（128GB）TLC 3D NAND闪存芯片，达到了236层，相比于2020年首次引入双堆栈架构的第7代V-NAND技术的176层有了大幅度的提高。其所采用的双堆栈架构，即在300mm晶圆上先生产一个3D NAND Flash堆栈，然后在原有基础上再构建另一个堆栈。

目前尚不清楚三星300+层闪存的具体细节，比如确切层数、容量密度、闪存类型等。按照三星规划的路线图，到了2030年，闪存堆叠将超过1000层。

铠侠和西部数据的创新成果将更高容量和更高性能的3D NAND存储设备成为可能。根据eeNewsEurope的报道，两家工程师团队正在攻关8平面3D NAND设备和具备超过300字线的3D NAND IC。铠侠将发表一篇论文，其中便介绍了一种八平面1Tb 3D TLC NAND颗粒，这款颗粒具有超过210个有源层和3.2GT/s的接口。根据铠侠提供的数据，这款颗粒能做到205MB/s的程序吞吐量以及仅40微秒的延迟。

创新的八平面1Tb 3D TLC NAND颗粒通过减少X方向的数据查询区域减少到41%，以实现3.2GT/s的接口速度。然而，这种新设计可能导致布线拥塞，铠侠通过引入混合行地址解码器缓解了这一问题，最大限度地减少了因拥塞导致的读取延迟下降。

铠侠还通过新型的单脉冲双选通技术，让单个脉冲内感测两个存储单元，这使得总感测时间减少18%，提升程序吞吐量达到205MB/s。

通过两种新技术，新型NAND颗粒实现了更高性能和更低延迟，这些技术将在未来得到更广阔的应用。然而，八平面架构会增加IC和主控的复杂性，从而导致更高的开发和制造成本。如果主控芯片无法正确管理八平面颗粒，则IC的实际性能还可能下降。除了八平面3D NAND IC外，铠侠和西数联合开发了超过300层的3D NAND颗粒。

为了实现这一目标，联合团队采用金属诱导横向结晶技术（MLIC），通过这项技术，开发团队能够在垂直存储孔内创建单晶14微米长的“通心粉状"硅通道。此外，团队还利用尖端吸镍方法消除硅中的杂质和缺陷，提高单元阵列性能。因此读取噪声至少减低了40%，电导增加了10倍。

03、势在必得的存储高地

市场在变，需求在变，技术也在更迭。存储市场波动持续影响着整个半导体行业。

进入2023年，NAND供应商采取行动重新平衡供需动态，他们不仅减少对市场的出货量，且大部分供应商都宣布削减晶圆厂利用率或减少晶圆开工。市场研究机构Yole分析称，所有供应商不仅削减了2023年资本支出，并推迟了路线图进程。其中，仅NAND 资本支出预计将同比下降约40%。Yole指出，随着库存水平的正常化回归以及OEM等采购信心的恢复，将为今年晚些时候的 NAND复苏提供了希望。

市场研究机构Yole Intelligence最新报告显示，NAND Flash市场将在今年第三季度迎来增长，结束近两年的下滑趋势。Yole Intelligence表示，全球数据生成和存储的需求持续增长，新技术的引入使得NAND Flash市场的长期前景依然看好。该报告还提到了推动 NAND 市场发展的几个因素。

首先是大型科技公司和传统企业原始设备制造商(OEM) 对企业级固态硬盘 (SSD) 的需求增加。这些企业对数据存储的要求越来越高，因此采用更多的企业级SSD来满足大规模数据处理和存储的需求。其次，SSD在PC和游戏机中的普及也是推动市场增长的因素之一。随着人们对快速启动和高效数据读写的需求增加，SSD在个人电脑和游戏机中的应用越来越广泛。智能手机和其他移动设备存储容量的增加也是推动市场增长的因素之一。随着用户在手机中存储大量照片、视频和应用程序的需求增加，手机制造商需要提供更大容量的存储解决方案，这将推动NAND Flash市场的增长。

根据预测，NAND市场将结束连续七个季度的下滑，并在今年第三季度实现增长。

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