为了提升密度，闪存厂商们拼了
在如今大数据时代，NAND闪存无疑是数据存储的奠基者。不管是手机、电脑、家电还是汽车、安防等行业，都少不了NAND闪存的身影，其重要性可见一斑。
在此趋势下，全球NAND Flash存储容量持续保持增长，2020年存储容量达到5300亿GB，预计2022年将达6110亿GB。
图源：中商产业研究院
随着存储容量的不断增长，NAND Flash存储原厂的产品生产工艺也在不断发展，存储晶圆工艺制程、电子单元密度、闪存堆叠层数等都经历了较大的技术迭代和发展。
发展至今，目前全球NAND Flash市况如何？各大玩家取得了哪些进展？以及在提升NAND闪存密度方面，行业厂商正在进行哪些努力，市场未来又将走向何方？
为了提升密度，闪存厂商做了哪些努力？
2D NAND转向3D NAND，层数升级
20世纪80年代，2D NAND技术诞生并实现商业化。
在2D NAND闪存时代，随着晶体管尺寸不断微缩，NAND闪存的存储密度持续提高。当密度提高至一定程度，NAND闪存中存储的电荷数量受限，读写容量也难以进一步提升。而对于存储阵列来说，耦合效应和干扰也是个问题。
因此，NAND闪存逐渐从二维平面向三维堆叠结构过渡，3D NAND把解决思路从单纯提高制程工艺转变为堆叠多层，成功解决了平面NAND在增加容量的同时性能降低的问题，实现容量、速度、能效及可靠性等全方位提升。
除了技术限制外，制造成本也是推动闪存颗粒走向3D结构的关键。
分析机构Objective Analysis董事长兼资深分析师Jim Handy指出，“3D NAND是NAND存储厂商克服当前困难的一个方式，存储厂商已经没有办法在原有2D NAND存储的基础上降低成本，因此他们选择了用3D技术来‘节流’。”
回顾3D NAND闪存的发展历程，东芝最早在2007年提出了此概念，并表明NAND闪存未来的发展趋势将集中于降低单位bit成本。2013年，三星推出了全球首款V-NAND闪存，并投入量产，代表着3D NAND闪存从技术概念走向了商业市场。
三星第一代V-NAND闪存采用了三星电子独创圆柱形3D CTF和垂直堆叠技术，虽然只有24层，但却突破了平面技术的瓶颈。反观东芝，其第一款3D NAND（48层）量产产品比三星晚了整整三年。
有数据统计，2019年，3D NAND的渗透率为72.6%，已远超2D NAND，且未来仍将持续提高，预计2025年3D NAND 将占闪存总市场的97.5%。
自从NAND闪存进入3D时代，芯片的层数比拼一直是各大NAND闪存芯片厂商竞争的重点，堆栈层数犹如摩天大楼一样越来越高。在3D NAND技术赛跑中，存储厂商从最初的24层、32层，一路堆到了128层、176层，甚至200+层。层数越高，NAND闪存可具有的容量就越大，增加层数以及提高产量也是衡量技术实力的标准。
前不久，美光宣布其232层NAND闪存芯片实现量产，这也是全球首款突破200层大关的固态存储芯片。
与竞争对手的芯片相比，美光全新的技术将每单位面积存储的比特密度增加了一倍，每平方毫米封装14.6Gb，这一密度相比自家的176层NAND提升了约43%，且封装尺寸比前几代产品还要小28%，预计今年底开始量产。
将存储芯片升级到232层是美光已部署的许多技术的组合和扩展，美光采用了双堆栈闪存设计，这意味着每个成品芯片由两个116层的芯片组成，在一个称为串堆栈的过程中粘合在一起。美光公司还指出，创建高长宽比孔的先进工艺和材料的进步是提高密度的原因。
纵览行业市场现状，一些竞争对手目前正在提供176层技术，有些厂商表示正在紧随步伐，或者已经有了超过200层的工程样品。可见，闪存层数之战已经进入白热化，消息源源不断。
紧随美光之后，8月3日，SK海力士宣布成功研发了全球首款业界最高层数的238层NAND闪存，并且在2022闪存峰会上亮相了首款238层4D NAND闪存新产品。
SK海力士自2020年12月完成176层NAND闪存研发以来，时隔仅1年7个月，就将层数突破到了238层的新高度。据悉，SK海力士已经开始向客户送样，并计划在2023年上半年正式投入量产。
此外，SK海力士此次238层NAND闪存在达到业界最高堆栈层数的同时还实现了全球最小的面积。
原因在于SK海力士的4D架构，早在2018年研发的96层NAND闪存就导入了4D方式，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。为成功研发4D架构的芯片，SK海力士采用了电荷捕获型技术(CTF)和PUC技术，进而确保了成本、性能、产品质量等层面的全球领先竞争力。
此外，回看国内领先的闪存厂商，长江存储也正在不断缩短和世界领先水平的距离。长江存储成立于2016年，当时国内闪存芯片基本上还是一片空白。
仅用了一年时间，长江存储就研制成功了中国第一颗3D NAND闪存芯片，然后在2018年实现了量产，实现了国产存储芯片0的突破。后来长江存储又自研出了Xtacking架构，大幅度的提高了存储密度。并在2019年9月份，基于自研Xtacking架构推出了64层3D NAND Flash，拉近了与三星、美光之间的差距。
紧接着，长江存储实现了跳跃式发展，跳过了96层，直接在2020年4月，发布了128层3D NAND 闪存，再次缩小与三星、美光的差距。
前不久，据供应链消息称，长江存储推出了堆叠层数达232层的闪存芯片。
在发稿前，有外媒消息显示，三星正准备开始量产其第8代V-NAND内存，该内存将具有200多层，为固态存储设备带来更高的性能和位密度。三星表示，第8代V-NAND将是2.4Gbps的1Tb TLC裸片，将于2022年发货，并预计在2023年推出了第9代V-NAND。
此外，西部数据、铠侠等厂商也在蠢蠢欲动，在往200+层3D NAND闪存领域发力，竞争愈发激烈。
2022年闪存市场网站统计数据
（图源：闪存市场）
纵观现在全球的闪存格局，各大厂商纷纷采取措施，为尽可能多的占领市场的进行扩产，正在往更多层数进行技术迈进。
综合来看，各个厂家的3D NAND闪存堆叠技术原理上基本类似，通过堆叠的方式，实现在更小的空间和面积完成各大的存储容量。但是都有各自的技术架构和演进路线图，并不完全一致，各家都有各家的技术工艺特色，如三星的V NAND、铠侠的BiCS技术3D NAND、英特尔的3D XPoint NAND以及长江存储的Xtacking架构等。
三星电子虽是技术的奠基者并在过去一直领导市场发展，但在200层以上的竞争上，略落后于美光与SK海力士。SK海力士的4D NAND强调集成度和成本，美光232层3D NAND更加强调存储密度和带宽，产品主要侧重的优势点不同。
对于未来NAND闪存层数的发展路径，美光数据中心存储副总裁Alvaro Toledo表示，未来的NAND芯片会是一条通往更多层的道路，挑战肯定存在，但我们还没有看到这条路的尽头。
早在2019年，SK海力士就做出过大胆假设，2025年推出500层堆叠产品，并在2032年实现800层以上。
IMEC认为，1000层的NAND闪存也不是很远，或在10年内就会出现。
可见，层数之争依旧是NAND闪存的主旋律。虽然现在还无法预测3D NAND最高可堆叠至多少层，不过随着头部企业持续加大3D NAND闪存市场布局，推动技术创新和演进，3D NAND闪存堆栈高度不断突破极限。预计未来几年，200层以上3D NAND闪存市场竞争将愈发激烈。
芯片制程“双刃剑”
此外，NAND的制程是另一个影响NAND存储密度的关键因素。2D NAND从早期50+nm到19nm，最后发展到了16/15nm，每次制程的升级都将NAND存储密度提升到新的高度，但是NAND闪存的制程工艺是双刃剑，容量提升、成本降低的同时可靠性及性能都在下降，因为工艺越先进，NAND的氧化层越薄，可靠性也越差，厂商就需要采取额外的手段来弥补，但这又会提高成本，以致于达到某个点之后制程工艺已经无法带来优势了。
从TechInsights闪存路线图中获悉，2D NAND闪存以工艺制程演进为评判标准，而迈入3D NAND之后，工艺制程演进相对缓慢，堆叠层数取代工艺制程成为新的介质进化标准。
3D NAND路线图（图源：TechInsights）
从各厂商的技术蓝图来看，NAND Flash堆叠层数预计在2022年将达到2XX层，而工艺制程则可能停留在20nm左右。
存储单元位数，超越QLC
尽管在各大厂商的闪存技术比拼中，闪存层数是提升存储密度的直接评判标准之一，但层数并非唯一的判断标准。
除了添加越来越多的层数之外，NAND 闪存制造商还可以将多个存储比特打包到单个设备中，以此提高存储比特的密度。
首先来了解一下cell的种类，按照每个cell能存储的bit数分为SLC、MLC、TLC和QLC几种。
第一代SLC（Single-Level Cell）：每单元可存储1比特数据(1bit/cell)，性能好、寿命长，可经受10万次编程/擦写循环，但容量低、成本高，如今已经非常罕见；
第二代MLC（Multi-Level Cell）：每单元可存储2比特数据(2bits/cell)，性能、寿命、容量、成各方面比较均衡，可经受1万次编程/擦写循环，现在只有在少数高端SSD中可以见到；
第三代TLC（Trinary-Level Cell）：每单元可存储3比特数据(3bits/cell)，性能、寿命变差，只能经受3千次编程/擦写循环，但是容量可以做得更大，成本也可以更低，是当前最普及的；
第四代QLC（Quad-Level Cell）：每单元可存储4比特数据(4bits/cell)，性能、寿命进一步变差，只能经受1000次编程/擦写循环，但是容量更容易提升，成本也继续降低。
从闪存单位存储位数发展过程来看，SLC虽然耐擦写能力等指标都明显优于其他两种Cell，但由于其成本过高并没有得到大规模应用。在2D-NAND时代，MLC在耐擦写能力、出错率等特性上取得了非常好的平衡，加上ECC、磨损均衡等一系列核心技术的支持，采用MLC的SSD能够应对绝大多数企业级应用场景，而最终成为数据中心中SSD配备最广泛的NAND。
基于MLC技术原理，后来又发展出TLC、QLC，层数越多NAND容量越大，但是性能、可靠性、寿命越差，但是大容量诱惑、以及各种辅助技术加持下，MLC淘汰了SLC，TLC又淘汰了MLC，成为了主流。目前QLC比重也在逐步提高，后续或将逐渐代替TLC。
TechInsights曾在FMS 2020闪存峰会上预测，QLC在2025年将占到NAND整体出货容量的50%。
NAND闪存制造商一直试图通过增加每个单元存储的位数来提高其存储设备的存储密度。虽然从根本上说，这是提高记录密度的最具挑战性的方法，但从成本的角度来看，它也是最有价值的方法。
近日，在全球闪存峰会的主题演讲结束之际，Solidigm公司（Solidigm是英特尔出售给SK海力士的NAND研发和制造部门）在现场展示了全球首款正在研发的PLC（Penta-Level Cell，五层单元）固态盘。
PLC基于NAND密度构建，增加了单个单元存储多达5位数据的能力（高于QLC的每个单元4位），增加了每个NAND闪存芯片中的可用空间量。与QLC SSD相比，PLC（五层单元） SSD能够在每个存储单元内存储5比特数据，这意味着在相同的空间内，存储的数据量能够增加25%，同一空间内增加的存储量可以用来解决固态存储未来的成本、空间和能耗等问题。
理论上看，基于PLC新技术似乎为SSD实现更便宜的GB比率铺平了道路。然而，在实际开发中还存在挑战。
据了解，为了存储多于一位，NAND单元必须保持多个不同的电压电平，这具有挑战性。因为NAND制造商必须为这些单元找到合适的材料，然后无错误地记录和读取它们。此外，电压状态的数量随着位数的增加呈指数增长。例如，要存储4位，单元必须保持16个电压电平 (24)，存储5位，该数字会增长到32(25)。
因此，PLC NAND技术最终需要32种不同的电压状态来区分电池可以容纳的所有可能的1和0组合。这会给电池和控制器级带来额外的压力，这必须考虑到电压状态被错误写入，损坏数据的可能性增加。因此，必须在控制器级别实现更强大的纠错算法。
目前尚不清楚基于PLC的硬盘何时会进入市场。对此，西部数据表示他们不会在2025年之前进入市场。
此外，除了Solidigm推出的PLC，铠侠更是在IEEE超大规模集成电路技术和电路研讨会上展示了一个每单元存储7比特的产品，但这目前还只能在实验室和低温下实现。
铠侠实现每个单元存储7位则需要保持128个电压状态 (27)。不过，目前这种NAND闪存单元还无法在商业上实现，在实验室中构建定制晶体管只是超高密度NAND闪存挑战的一半。首先，研究人员必须开发和使用具有适合处理128种电压状态的自定义编码方案的自定义控制器。
另一方面挑战在于，能够准确处理128个电压电平的控制器的难度和价格可能与微处理器相当。因此，使用昂贵且复杂的SSD控制器将3D NAND记录密度仅增加40%（从5bpc到7bpc）是否有意义成为值得探讨的问题。虽然最好的SSD往往成本很高，但过于先进的控制器可能会使超高容量驱动程序变得过于昂贵，这或许将消除其所有优势。
可以看到，除了堆叠更多层数和制程演进之外，扩展闪存芯片的位密度也正在成为行业厂商提升存储密度的竞争路线之一。
写在最后
NAND闪存的概念可以追溯到上世纪80年代，而真正步入发展轨道则是从2000年开始。
从WSTS公布的出货量数据来看，NAND闪存的发展大致可以分为三个阶段。2000年至2016年间，NAND闪存出货量呈现线性增长趋势；2016年至2018年，出货量相对稳定；2018年之后，受益于数据中心市场增长，NAND闪存出货量随之增加。
NAND出货金额及出货量
（图源：WSTS、EET Japan）
从NAND闪存市场的角度看，随着2001年以后音乐播放器、数码相机、手机等领域疾速增长，NAND闪存市场需求持续上扬，出货量以线性趋势持续增加
在 NAND闪存扩展饱和后，随着大数据、物联网、数据中心等新兴市场的发展，三星、英特尔、铠侠、西部数据、长江存储等一系列闪存厂商再次纷纷加速技术演进和市场布局，以争夺NAND闪存市场的主导权。
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