3D NAND突破300層！存儲(chǔ)芯片技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)分析

作者：張誠(chéng) 2024-11-21 16:46:43

今日，SK海力士官方公布正式開始量產(chǎn)全球首款321層1TB TLC 4D NAND閃存的消息引起了我們的關(guān)注。那么，何為3D NAND技術(shù)？各閃存顆粒廠商在3D NAND技術(shù)上有哪些最新的突破？未來3D NAND技術(shù)有哪些重要的發(fā)展趨勢(shì)？

在存儲(chǔ)領(lǐng)域，閃存（Flash Memory）憑借高性能、低功耗、高可靠、小體積等諸多優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為高性能智算中心的主流存儲(chǔ)產(chǎn)品。為了提高閃存顆粒的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度，3D NAND技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并成為閃存顆粒未來的主要技術(shù)。

今日，SK海力士官方公布正式開始量產(chǎn)全球首款321層1TB TLC 4D NAND閃存的消息引起了我們的關(guān)注。那么，何為3D NAND技術(shù)？各閃存顆粒廠商在3D NAND技術(shù)上有哪些最新的突破？未來3D NAND技術(shù)有哪些重要的發(fā)展趨勢(shì)？本文將一一進(jìn)行解讀。

一、3D NAND技術(shù)概述

NAND閃存技術(shù)起源于20世紀(jì)80年代，最初的NAND閃存主要采用2D NAND技術(shù)，與CPU/GPU相同，通過不斷地提升制程工藝來提高存儲(chǔ)的密度。目前，NAND在制程工藝方面，已經(jīng)從早期的幾十納米制程逐步縮小到如今的個(gè)位數(shù)納米制程。

隨著2D NAND閃存制程工藝技術(shù)的不斷縮小，逐漸逼近物理極限。雖然制程工藝技術(shù)的縮小帶來了存儲(chǔ)單元密度的提升和單位存儲(chǔ)成本的降低，但也帶來了電荷泄漏、制造工藝復(fù)雜度增加等問題。為了解決這一問題，業(yè)界開始探索3D NAND技術(shù)，通過在垂直方向上構(gòu)建存儲(chǔ)單元，打破了平面布局的限制。

2007年，東芝在日本東京舉辦的超大規(guī)模集成電路研討會(huì)（VLSI）上提出了3D NAND技術(shù)的概念，并將其命名為BiCS（bit cost scalable），旨在降低單位bit成本。2013年，三星率先量產(chǎn)了3D NAND產(chǎn)品，命名為V-NAND，成為全球首款量產(chǎn)的3D NAND閃存。

從這一年開始，3D NAND技術(shù)經(jīng)歷了從24層到32層、再到更高層數(shù)的快速發(fā)展過程。三星、長(zhǎng)江存儲(chǔ)、美光、SK海力士等各大廠商紛紛投入研發(fā)，不斷推出更高堆疊層數(shù)、更高性能的3D NAND產(chǎn)品。通過技術(shù)創(chuàng)新和優(yōu)化，3D NAND技術(shù)在提高存儲(chǔ)密度、讀寫速度、功耗降低等方面取得了顯著進(jìn)展。

實(shí)際上，SK海力士發(fā)布的4D NAND技術(shù)本質(zhì)上也是另一種形式的3D NAND閃存，是SK海力士特有的術(shù)語(yǔ)，是在3D NAND技術(shù)的基礎(chǔ)上，將外圍電路置于NAND陣列之下，通過垂直集成進(jìn)一步提高存儲(chǔ)密度并降低成本。

二、3D NAND技術(shù)有哪些優(yōu)勢(shì)

作為目前業(yè)界主流的技術(shù)，3D NAND通過在硅襯底上垂直堆疊多個(gè)存儲(chǔ)層，每個(gè)存儲(chǔ)層包含大量的存儲(chǔ)單元，來提高存儲(chǔ)密度。同時(shí)，每層的存儲(chǔ)單元通過復(fù)雜的電路連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫操作。

首先，3D NAND技術(shù)可以大幅提高存儲(chǔ)的密度，從而增加存儲(chǔ)系統(tǒng)的整體容量，降低存儲(chǔ)成本。

其次，3D NAND技術(shù)具有較快的讀寫速度和較低的功耗，特別適用于高性能存儲(chǔ)需求，尤其是AI、高性能計(jì)算等應(yīng)用場(chǎng)景。

最后，通過采用先進(jìn)的制造工藝和材料，3D NAND技術(shù)具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，能夠確保數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期保存。

整體來看，3D NAND技術(shù)在存儲(chǔ)密度、性能和可靠性方面，都有較為明顯的優(yōu)勢(shì)，尤其是在存儲(chǔ)容量方面，提升非常明顯，這也是其成為主流技術(shù)的根本原因所在。

三、主流3D NAND廠商的技術(shù)產(chǎn)品盤點(diǎn)

目前，SK海力士、三星、長(zhǎng)江存儲(chǔ)、美光均采用了3D NAND技術(shù)，且每家廠家都有自己的技術(shù)特點(diǎn)。

1）SK海力士

SK海力士從2023年6月量產(chǎn)上一代238層NAND閃存產(chǎn)品，并供應(yīng)市場(chǎng)。目前，SK海力士公司開始量產(chǎn)321層1TB TLC 4D NAND閃存，也是率先實(shí)現(xiàn)了超過300層NAND閃存量產(chǎn)芯片企業(yè)，并計(jì)劃從明年上半年起向客戶提供321層產(chǎn)品，以滿足市場(chǎng)需求。

在產(chǎn)品開發(fā)過程中，SK海力士采用了與238層產(chǎn)品相同的開發(fā)平臺(tái)，從而最大限度地減少工藝切換的任何影響，將生產(chǎn)效率提高59%。數(shù)據(jù)顯示，與上一代相比，321層NAND閃存的數(shù)據(jù)傳輸速度和讀取性能分別提高了12%和13%，數(shù)據(jù)讀取能效也提高了10%以上。

2）三星

2013年，三星率先推出了V-NAND閃存，這是一種通過垂直堆疊3D空間中的穿孔連接其單元層的解決方案。其采用了CTF（Charge Trap Flash）電荷擷取技術(shù)，相比其他采用浮柵技術(shù)的閃存顆粒，具有更好的穩(wěn)定性。因?yàn)镃TF電荷擷取技術(shù)是將電荷存儲(chǔ)在絕緣層，電荷不容易丟失，所以V-NAND的可靠性更高，數(shù)據(jù)保存更穩(wěn)定。

從24層V-NAND開始，三星逐漸積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。目前，三星最新量產(chǎn)的是第9代V-NAND，層數(shù)達(dá)到了290層，并計(jì)劃于2024年量產(chǎn)超過300層的版本。據(jù)TrendForce報(bào)道，三星的目標(biāo)是2026年推出400層垂直堆疊的NAND閃存，以便在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)領(lǐng)先位置。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，三星正在開發(fā)第10代V-NAND技術(shù)，并計(jì)劃使用創(chuàng)新的鍵合技術(shù)將存儲(chǔ)單元和外圍電路分別在不同的晶圓上制造，然后再結(jié)合在一起。

3）長(zhǎng)江存儲(chǔ)

2014年，長(zhǎng)江存儲(chǔ)3D NAND閃存項(xiàng)目正式啟動(dòng)。一直到2017年，長(zhǎng)江存儲(chǔ)成功試產(chǎn)了32層3D NAND閃存芯片，成為中國(guó)首家掌握3D NAND閃存技術(shù)并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的企業(yè)。目前，長(zhǎng)江存儲(chǔ)自主研發(fā)的Xtacking技術(shù)顛覆了傳統(tǒng)NAND閃存架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了高密度、高性能、高可靠性和低功耗的閃存芯片。該架構(gòu)通過將邏輯層與存儲(chǔ)單元層分離，提高了生產(chǎn)效率，并簡(jiǎn)化了制造流程。

2022年，長(zhǎng)江存儲(chǔ)成功試產(chǎn)232層3D NAND閃存芯片，成為全球第一家突破232層堆疊3D NAND的廠商。目前，長(zhǎng)江存儲(chǔ)第四代TLC/QLC NAND（X3-9070/X3-9060）已經(jīng)全面量產(chǎn)，其SSD產(chǎn)品在市場(chǎng)上表現(xiàn)出色，銷量已超過三星、金士頓等國(guó)外品牌，成為國(guó)產(chǎn)存儲(chǔ)崛起的代表。

4）美光

美光通過在層數(shù)上不斷創(chuàng)新，曾率先推出全球首款176層3D NAND閃存，一舉刷新行業(yè)紀(jì)錄，實(shí)現(xiàn)了閃存產(chǎn)品密度和性能的重大提升。目前，美光研發(fā)出了232層3D NAND技術(shù)，進(jìn)一步提升了存儲(chǔ)密度和性能。

在技術(shù)上，美光采用CMOS-under-array（CuA）架構(gòu)，即在邏輯陣列上構(gòu)建閃存層，使得NAND存儲(chǔ)器電路區(qū)域不再需要為CMOS邏輯留出空間。這一技術(shù)減小了NAND裸片尺寸，增加了單位面積中的總存儲(chǔ)容量，并提升了設(shè)計(jì)的靈活性。此外，美光還采用了替換柵極（RG）NAND架構(gòu)，這一創(chuàng)新的存儲(chǔ)架構(gòu)提供了更長(zhǎng)的耐久壽命、更高的電源效率和更大的存儲(chǔ)容量。