神秘的3D NAND

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傳統的平面NAND閃存現在還談不上窮途末路，其目前的主流工藝是15/16nm，但10/9nm的節點很可能是平面NAND最后的機會了。而3D NAND閃存還會繼續走下去，目前的堆棧層數不過32-48層，廠商們還在研發64層甚至更高層數的堆棧技術。

就在上個月底，武漢新芯科技主導的國家級存儲器產業基地正式動工，在大基金的支持下該項目將投資240億美元建設國內最大、最先進的存儲器芯片生產基地。如此巨額的投資使得該項目爭議不小，不過更應該注意的是，國內公司這次“進軍”存儲芯片的起點不低，新建的12寸晶圓廠投產后可直接生產3D NAND閃存——這可是當前閃存市場的大熱門，可謂是來勢兇猛。那么，3D NAND閃存市場現在的近況到底是個什么樣呢？

從三星的840系列硬盤再到Intel剛發布的DC P3520硬盤，三星、SK Hynix、東芝/閃迪、Intel/美光這四大NAND豪門都已經涉足了3D NAND閃存，而且可以預見這種趨勢還會繼續下去，毫無疑問，會有越來越多的閃存及SSD硬盤都會轉向3D NAND技術。有鑒于此，我們就簡單向讀者介紹一下3D NAND閃存，并匯總目前四大NAND豪門所使用的3D NAND閃存規格及特色。

什么是3D NAND閃存？

從新聞到評測，我們對3D NAND閃存的報道已經非常多了，3D NAND的出鏡率近期也是相當高，那么什么是3D NAND閃存呢？我們不妨再來復習一下。

在3D NAND這一概念出現之前，市面上的閃存多屬于Planar NAND，即平面閃存，也稱為2D NAND（或者直接省掉 “2D”前綴）。而對于3D 閃存，顧名思義，它指的是立體的堆疊方式，Intel之前用蓋樓為例介紹了3D NAND，普通NAND是平房，那么3D NAND就是高樓大廈，建筑面積瞬間就多起來了，且理論上可以無限堆疊。

另外，3D NAND閃存也不再是簡單的平面內存堆棧（這只是其中的一種方式），還包括有VC垂直通道、VG垂直柵極這兩種結構。

3D NAND閃存有什么優勢？

在回答3D NAND閃存有什么優勢之前，我們先要了解平面NAND遇到了怎樣的問題——NAND閃存不僅有SLC、MLC和TLC類型之分，為了進一步提高容量、降低成本，NAND的制程工藝也在不斷進步，從早期的50nm一路狂奔到目前的15/16nm。但NAND閃存跟處理器不一樣，先進工藝雖然帶來了更大的容量，但NAND閃存的制程工藝是把雙刃劍，在容量提升、成本降低的同時，閃存的可靠性及性能都在下降，因為工藝越先進，NAND的氧化層越薄，可靠性也就越差，為此，廠商就需要采取額外的手段來彌補，但這又會變相提高制造成本，以致于在達到某個性能和成本的平衡點之后，制程工藝已經無法再帶來優勢了。

相比之下，3D NAND解決問題的思路就不一樣了，為了提高NAND的容量、降低成本，廠商不需要費勁心思去提高制程工藝了，轉而去堆疊更多的層數就可以了，這樣一來，3D NAND閃存的容量、性能、可靠性都有了保證。比如東芝的15nm NAND容量密度為1.28Gb/mm?，而三星32層堆棧的3D NAND可以輕松達到1.87Gb/mm?，48層堆棧的甚至可以達到2.8Gb/mm?。

當然，傳統的平面NAND閃存現在還談不上窮途末路，其目前的主流工藝是15/16nm，但10/9nm的節點很可能是平面NAND最后的機會了。而3D NAND閃存還會繼續走下去，目前的堆棧層數不過32-48層，廠商們還在研發64層甚至更高層數的堆棧技術。

四大NAND豪門的3D NAND閃存及特色

在主要的NAND廠商中，三星最早實現了3D NAND的量產，其他幾家公司在3D NAND閃存量產上則要落后三星至少2年時間，Intel、美光去年才推出3D NAND閃存，Intel本月初才發布了首款采用3D NAND閃存的SSD，且主要是面向企業級的市場。

這四大豪門的3D NAND閃存所用的技術各不相同，堆棧的層數也不一樣。值得一提的是，除了常規3D NAND閃存之外，Intel還開發了新型的3D XPoint閃存，它跟目前的3D閃存有很大不同，應該屬于殺手锏級產品，非常值得關注。

上述3D NAND閃存中，由于廠商通常不會公布很多技術細節，特別是很少提及具體的制程工藝，因此目前可供介紹的內容比較有限。事實上，除了三星以外，其他廠商的3D NAND閃存才剛剛開始推向市場，也鮮有代表性的產品。

三星：最早量產的V-NAND閃存

三星不僅是NAND閃存市場中最強大的廠商之一，而且在3D NAND閃存上也是一路領先，他們最早在2013年就開始了量產3D NAND閃存。在3D NAND路線上，三星曾研究過多種方案，最終量產的是VG垂直柵極結構的V-NAND閃存，目前已經發展了三代V-NAND技術，堆棧層數從之前的24層提高到了48層，TLC類型的3D NAND核心容量可達到256Gb容量，在自家的840、850及950系列SSD上都有使用。

毫無疑問，三星在3D NAND閃存領域具有顯著的技術、資金優勢，同時，他們還首先選擇了CTF電荷擷取閃存（charge trap flash，簡稱CTF）路線，相比傳統的FG（Floating Gate，浮柵極）技術難度要相對小一些，這多少也幫助三星贏得了一定的時間優勢。

東芝/閃迪：獨辟蹊徑的BiCS技術

東芝是閃存技術的發明人，盡管現在的份額和產能被三星超越，不過東芝在NAND技術領域依然非常強大。事實上，東芝很早就開始了3D NAND的研發工作，2007年他們獨辟蹊徑地推出了BiCS技術的3D NAND——之前我們也提到了，2D NAND閃存可以通過堆棧作出3D NAND閃存，說起來簡單，但制造工藝十分復雜，要求很高，而東芝的BiCS閃存則是Bit Cost Scaling，它強調的就是隨NAND規模增加而降低成本，號稱在所有3D NAND閃存中BiCS技術的閃存核心面積最低，當然這也意味著成本更低。

東芝和閃迪是戰略合作伙伴，雙方在NAND領域是共享技術的，他們的BiCS閃存去年開始量產，目前的堆棧層數是48層，MLC類型的核心容量128Gb，TLC類型的容量可達256Gb，預計會在日本四日市的Fab 2工廠規模量產，2016年就可以大量出貨了。

SK Hynix：悶聲發財的3D NAND

在這幾家NAND廠商中，SK Hynix的3D NAND最為低調，相關報道很少，以致于我們找不到太多SK Hynix的3D NAND閃存資料。不過，從其官網公布的信息來看，SK Hynix的3D NAND閃存已經發展了3代了，2014年Q4推出的第一代，2015年Q3季度推出的第二代，去年Q4推出的則是第三代3D NAND閃存，只不過前面三代產品主要面向eMCC 5.0/5.1、UFS 2.0等移動市場，今年推出的第四代3D NAND閃存則會針對UFS 2.1、SATA及PCI-E產品市場。

SK Hynix的3D NAND閃存堆棧層數從36層起步，不過真正量產的是48層堆棧的3D NAND閃存，MLC類型的容量128Gb，TLC類型的也可以做到256Gb容量。

Intel/美光：容量最高的3D NAND閃存

這幾家廠商中，Intel、美光的3D NAND閃存推出的最晚，去年才算正式亮相，不過好菜不怕晚，雖然進度上落后了點，但IMFT的3D NAND有很多獨特之處。首先，他們的3D NAND是第一款采用FG浮柵極技術量產的產品，所以在成本及容量上更有優勢，其MLC類型閃存核心容量就有256Gb，而TLC閃存則可以做到384Gb，是目前TLC類型3D NAND閃存中容量最大的。

當然，384Gb的容量還不是終點，今年的ISSCC大會上美光還公布了容量高達768Gb的3D NAND閃存論文，雖然短時間可能不會量產，但已經給我們帶來了新的希望。

Intel的殺手锏：3D XPoint閃存

IMFT在3D NAND閃存上進展緩慢已經引起了Intel的不滿，雖然雙方表面上還很和諧，但不論是16nm閃存還是3D閃存，Intel跟美光似乎都有分歧，最明顯的例子就是Intel都開始采納友商的閃存供應了，最近發布的540s系列硬盤就用了SK Hynix的16nm TLC閃存，沒有用IMFT的。

Intel、美光不睦的證據還有一個比較明顯的例子——那就是Intel甩開美光在中國大連投資55億升級晶圓廠，準備量產新一代閃存，且很可能就是3D XPoint閃存，這可是Intel的殺手锏。

關于3D XPoint閃存，我們之前也進行過較為詳實的介紹，根據Intel官方的說法，3D XPoint閃存各方面都超越了目前的內存及閃存，性能是普通顯存的1000倍，可靠性也是普通閃存的1000倍，容量密度是內存的10倍，而且是非易失性的，斷電也不會損失數據。

由于還沒有上市，而且Intel對3D XPoint閃存守口如瓶，所以我們無法確定3D XPpoint閃存背后到底是什么，不過比較靠譜的說法是基于PCM相變存儲技術，Intel本來就是做存儲技術起家的，雖然現在的主業是處理器，但存儲技術從來沒放松過，在PCM相變技術上也研究了20多年了，現在率先取得突破也并不意外。

相比目前的3D NAND閃存，3D XPoint閃存有可能同時取代現有的NAND及DRAM內存，因為它同時具備這兩方面的優勢，所以除了做各種規格的SSD硬盤之外，Intel還準備推出DIMM插槽的3D XPoint硬盤。也許3D XPoint暫時還無法替代DDR內存，但考慮到技術的突飛猛進，未來一切皆有可能。

最后，再回到文章開頭提到的問題上——中國大陸現在也把存儲芯片作為重點來抓，武漢新芯科技（XMC）已經在武漢開工建設12英寸晶圓廠，第一個目標就是NAND閃存，而且是直接切入3D NAND閃存，他們的3D NAND技術來源于飛索半導體（Spansion），而后者又是1993年AMD和富士通把雙方的NOR閃存部門合并而來，后來他們又被賽普拉斯半導體以40億美元的價格收購。

2015年新芯科技與飛索半導體達成了合作協議，雙方合作研發、生產3D NAND閃存，主要以后者的MirrorBit閃存技術為基礎，遺憾的是，我們搜遍了網絡也沒找到多少有關MirrorBit的技術資料。這兩家公司的閃存技術多是NOR領域的，3D NAND顯然是比不過三星、SK Hynix及東芝等公司的，有一種說法是MirrorBit的堆棧層數只有8層，如果真是這樣，相比主流的32-48層堆棧就差很遠了，成本上很難會有什么優勢。□