什么是3D NAND閃存？

上個(gè)月底武漢新芯科技主導(dǎo)的國家級(jí)存儲(chǔ)器產(chǎn)業(yè)基地正式動(dòng)工，在大基金的支持下該項(xiàng)目將投資240億美元建設(shè)國內(nèi)最大、最先進(jìn)的存儲(chǔ)器芯片基地。如此巨額的投資使得該項(xiàng)目爭議不小，不過更應(yīng)該注意的是國內(nèi)公司這次進(jìn)軍存儲(chǔ)芯片的起點(diǎn)不低，新建的12寸晶圓廠投產(chǎn)后直接生產(chǎn)3D NAND閃存，這可是當(dāng)前閃存市場的大熱門，來勢兇猛。那么3D NAND閃存市場現(xiàn)在到底是個(gè)什么樣呢？

從三星的840系列硬盤再到Intel剛發(fā)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(jīng)涉足3D NAND閃存了，而且可以預(yù)見這種趨勢還會(huì)繼續(xù)下去，越來越多的閃存及SSD硬盤都會(huì)轉(zhuǎn)向3D NAND技術(shù)。今天的超能課堂中我們就簡單說下3D NAND閃存，匯總一下目前四大NAND豪門的3D NAND閃存的規(guī)格及特色。

什么是3D NAND閃存？

從新聞到評(píng)測，我們對(duì)3D NAND閃存的報(bào)道已經(jīng)非常多了，首先我們要搞懂什么是3D NAND閃存。

從2D NAND到3D NAND就像平房到高樓大廈

我們之前見過的閃存多屬于Planar NAND平面閃存，也叫有2D NAND或者直接不提2D的，而3D 閃存，顧名思義，就是它是立體堆疊的，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，建筑面積一下子就多起來了，理論上可以無線堆疊。

3D NAND與2D NAND區(qū)別

3D NAND閃存也不再是簡單的平面內(nèi)存堆棧，這只是其中的一種，還有VC垂直通道、VG垂直柵極等兩種結(jié)構(gòu)。

3D NAND閃存有什么優(yōu)勢？

在回答3D NAND閃存有什么優(yōu)勢的時(shí)候，我們先要了解平面NAND遇到什么問題了——NAND閃存不僅有SLC、MLC和TLC類型之分，為了進(jìn)一步提高容量、降低成本，NAND的制程工藝也在不斷進(jìn)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(jìn)工藝雖然帶來了更大的容量，但NAND閃存的制程工藝是雙刃劍，容量提升、成本降低的同時(shí)可靠性及性能都在下降，因?yàn)楣に囋较冗M(jìn)，NAND的氧化層越薄，可靠性也越差，廠商就需要采取額外的手段來彌補(bǔ)，但這又會(huì)提高成本，以致于達(dá)到某個(gè)點(diǎn)之后制程工藝已經(jīng)無法帶來優(yōu)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(fèi)勁心思去提高制程工藝了，轉(zhuǎn)而堆疊更多的層數(shù)就可以了，這樣一來3D NAND閃存的容量、性能、可靠性都有了保證了，比如東芝的15nm NAND容量密度為1.28Gb/mm2，而三星32層堆棧的3D NAND可以輕松達(dá)到1.87Gb/mm2，48層堆棧的則可以達(dá)到2.8Gb/mm2。

3D NAND閃存在容量、速度、能效及可靠性上都有優(yōu)勢

傳統(tǒng)的平面NAND閃存現(xiàn)在還談不上末路，主流工藝是15/16nm，但10/9nm節(jié)點(diǎn)很可能是平面NAND最后的機(jī)會(huì)了，而3D NAND閃存還會(huì)繼續(xù)走下去，目前的堆棧層數(shù)不過32-48層，廠商們還在研發(fā)64層甚至更高層數(shù)的堆棧技術(shù)。

四大NAND豪門的3D NAND閃存及特色

在主要的NAND廠商中，三星最早量產(chǎn)了3D NAND，其他幾家公司在3D NAND閃存量產(chǎn)上要落后三星至少2年時(shí)間，Intel、美光去年才推出3D NAND閃存，Intel本月初才發(fā)布了首款3D NAND閃存的SSD，不過主要是面向企業(yè)級(jí)市場的。

這四大豪門的3D NAND閃存所用的技術(shù)不同，堆棧的層數(shù)也不一樣，而Intel在常規(guī)3D NAND閃存之外還開發(fā)了新型的3D XPoint閃存，它跟目前的3D閃存有很大不同，屬于殺手锏級(jí)產(chǎn)品，值得關(guān)注。

四大NAND豪門的3D NAND閃存規(guī)格及特色

上述3D NAND閃存中，由于廠商不一定公布很多技術(shù)細(xì)節(jié)，特別是很少提及具體的制程工藝，除了三星之外其他廠商的3D NAND閃存現(xiàn)在才開始推向市場，代表性產(chǎn)品也不足。

三星：最早量產(chǎn)的V-NAND閃存

三星是NAND閃存市場最強(qiáng)大的廠商，在3D NAND閃存上也是一路領(lǐng)先，他們最早在2013年就開始量產(chǎn)3D NAND閃存了。在3D NAND路線上，三星也研究過多種方案，最終量產(chǎn)的是VG垂直柵極結(jié)構(gòu)的V-NAND閃存，目前已經(jīng)發(fā)展了三代V-NAND技術(shù)，堆棧層數(shù)從之前的24層提高到了48層，TLC類型的3D NAND核心容量可達(dá)到256Gb容量，在自家的840、850及950系列SSD上都有使用。

三星最早量產(chǎn)了3D NAND閃存

值得一提的是，三星在3D NAND閃存上領(lǐng)先不光是技術(shù)、資金的優(yōu)勢，他們首先選擇了CTF電荷擷取閃存（charge trap flash，簡稱CTF）路線，相比傳統(tǒng)的FG（Floating Gate，浮柵極）技術(shù)難度要小一些，這多少也幫助三星占了時(shí)間優(yōu)勢。

有關(guān)V-NAND閃存的詳細(xì)技術(shù)介紹可以參考之前的文章：NAND新時(shí)代起點(diǎn)，三星V-NAND技術(shù)詳解

東芝/閃迪：獨(dú)辟蹊徑的BiCS技術(shù)

東芝是閃存技術(shù)的發(fā)明人，雖然現(xiàn)在的份額和產(chǎn)能被三星超越，不過東芝在NAND及技術(shù)領(lǐng)域依然非常強(qiáng)大，很早就投入3D NAND研發(fā)了，2007年他們獨(dú)辟蹊徑推出了BiCS技術(shù)的3D NAND——之前我們也提到了，2D NAND閃存簡單堆棧是可以作出3D NAND閃存的，但制造工藝復(fù)雜，要求很高，而東芝的BiCS閃存是Bit Cost Scaling，強(qiáng)調(diào)的就是隨NAND規(guī)模而降低成本，號(hào)稱在所有3D NAND閃存中BiCS技術(shù)的閃存核心面積最低，也意味著成本更低。

東芝的BiCS技術(shù)3D NAND

東芝和閃迪是戰(zhàn)略合作伙伴，雙方在NAND領(lǐng)域是共享技術(shù)的，他們的BiCS閃存去年開始量產(chǎn)，目前的堆棧層數(shù)是48層，MLC類型的核心容量128Gb，TLC類型的容量可達(dá)256Gb，預(yù)計(jì)會(huì)在日本四日市的Fab 2工廠規(guī)模量產(chǎn)，2016年可以大量出貨了。

SK Hynix：悶聲發(fā)財(cái)?shù)?D NAND

在這幾家NAND廠商中，SK Hynix的3D NAND最為低調(diào)，相關(guān)報(bào)道很少，以致于找不到多少SK Hynix的3D NAND閃存資料，不過從官網(wǎng)公布的信息來看，SK Hynix的3D NAND閃存已經(jīng)發(fā)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(chǎn)品主要面向eMCC 5.0/5.1、UFS 2.0等移動(dòng)市場，今年推出的第四代3D NAND閃存則會(huì)針對(duì)UFS 2.1、SATA及PCI-E產(chǎn)品市場。

SK Hynix的3D NAND閃存堆棧層數(shù)從36層起步，不過真正量產(chǎn)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閃存來的最晚，去年才算正式亮相，不過好菜不怕晚，雖然進(jìn)度上落后了點(diǎn)，但I(xiàn)MFT的3D NAND有很多獨(dú)特之處，首先是他們的3D NAND第一款采用FG浮柵極技術(shù)量產(chǎn)的，所以在成本及容量上更有優(yōu)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。

美光、Intel的3D NAND容量密度是最高的

384Gb容量還不終點(diǎn)，今年的ISSCC大會(huì)上美光還公布了容量高達(dá)768Gb的3D NAND閃存論文，雖然短時(shí)間可能不會(huì)量產(chǎn)，但已經(jīng)給人帶來了希望。

Intel的殺手锏：3D XPoint閃存

IMFT在3D NAND閃存上進(jìn)展緩慢已經(jīng)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(yīng)了，最近發(fā)布的540s系列硬盤就用了SK Hynix的16nm TLC閃存，沒有用IMFT的。

Intel、美光不合的證據(jù)還有最明顯的例子——那就是Intel甩開美光在中國大連投資55億升級(jí)晶圓廠，準(zhǔn)備量產(chǎn)新一代閃存，很可能就是3D XPoint閃存，這可是Intel的殺手锏。

3D XPoint閃存是Intel掌控未來NAND市場的殺手锏

這個(gè)3D XPoint閃存我們之前也報(bào)道過很多了，根據(jù)Intel官方說法，3D XPoint閃存各方面都超越了目前的內(nèi)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(nèi)存的10倍，而且是非易失性的，斷電也不會(huì)損失數(shù)據(jù)。

由于還沒有上市，而且Intel對(duì)3D XPoint閃存口風(fēng)很嚴(yán)，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(chǔ)技術(shù)，Intel本來就是做存儲(chǔ)技術(shù)起家的，雖然現(xiàn)在的主業(yè)是處理器，但存儲(chǔ)技術(shù)從來沒放松，在PCM相變技術(shù)上也研究了20多年了，現(xiàn)在率先取得突破也不是沒可能。

相比目前的3D NAND閃存，3D XPoint閃存有可能革掉NAND及DRAM內(nèi)存的命，因?yàn)樗瑫r(shí)具備這兩方面的優(yōu)勢，所以除了做各種規(guī)格的SSD硬盤之外，Intel還準(zhǔn)備推出DIMM插槽的3D XPoint硬盤，現(xiàn)在還不能取代DDR內(nèi)存，但未來一切皆有可能。

最后再回到我們開頭提到的問題上——中國大陸現(xiàn)在也把存儲(chǔ)芯片作為重點(diǎn)來抓，武漢新芯科技（XMC）已經(jīng)在武漢開工建設(shè)12英寸晶圓廠，第一個(gè)目標(biāo)就是NAND閃存，而且是直接切入3D NAND閃存，他們的3D NAND技術(shù)來源于飛索半導(dǎo)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(dǎo)體以40億美元的價(jià)格收購。

2015年新芯科技與飛索半導(dǎo)體達(dá)成了合作協(xié)議，雙方合作研發(fā)、生產(chǎn)3D NAND閃存，主要以后者的MirrorBit閃存技術(shù)為基礎(chǔ)。不過小編搜遍了網(wǎng)絡(luò)也沒找到多少有關(guān)MirrorBit的技術(shù)資料。這兩家公司的閃存技術(shù)多是NOR領(lǐng)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(shù)只有8層，如果真是這樣，相比主流的32-48層堆棧就差很遠(yuǎn)了，成本上不會(huì)有什么優(yōu)勢。