3D-NAND内存市场看俏，但几个有关的技术问题和误解也随之而来…

3D-NAND内存自从2013年8月以来已经成功地投入市场。虽然，3D-NAND仍然比平面NAND更昂贵，但大家都期待它将有助于快速地降低NAND的成本，以及取代平面NAND。但这是为什么呢?事实上，3D-NAND仍然存在着目前无法轻易克服的许多问题。

因此，我想在本文中讨论与3D-NAND有关的几个技术议题以及一般对它的误解。首先看看有关3D-NAND的技术问题。

超大单元尺寸：通道孔的长宽比更高，导致较大的单元尺寸。此外，钨丝狭缝为超大有效单元尺寸增加了额外的面积。例如，三星(Samsung)采用15nm节点的32层(32-layer) 3D-NAND具有大约31,000nm2的有效单元大小，可以容纳30个平面NAND单元。

超大字符线步阶：单元堆栈的层数高，导致字符线步阶较大，而且还提高了制程的复杂度以及处理成本。例如，三星的32层3D-NAND在单元边缘的字符线步阶延伸了超过20um。

内存单元效率低：除了钨丝狭缝、字符线步阶以及内存周边逻辑组件以外，内存单元只占芯片面积的40%，明显更低于平面NAND一般约占65%以上的芯片面积。

晶圆总产量低：芯片面积的形成需要沉积超过100个无瑕疵的覆盖层，而要形成闸极与字符线步阶则带来极端的制程复杂度。此外，3D-NAND仍然必须使用双重图案来形成位线，这些问题都将导致晶圆产量减少。

巨大的晶圆厂投资：从平面NAND转型至3D-NAND需要更高3倍至5倍的晶圆厂投资。即使3D-NAND技术成熟了(即从第一代进展到第二代、第三代)，整体晶圆厂投资预计仍将维持较平面NAND的生产更高3倍左右。由于工具抑制和维护费用将占整个制造成本的40%至50%，3D-NAND仍然比平面NAND更难以降低制造成本。

不过，您真的认为3D-NAND可在不久的将来降低NAND的成本吗?我想，关于3D-NAND，我们可能存在以下几种误解。

图1：256GB SSD的市场价格比较;3D-NAND尚未带来低成本的优势

3D-NAND比平面NAND更便宜约30%：这个说法只有一小部份正确，其他的大多数都误解了。例如，以16nm制程节点来看，美光(Micron)的Crucial MX300固态硬盘(SSD)采用32层堆栈的三层储存单元(TLC)3D-NAND，比采用多层储存单元(MLC)平面NAND的美光Crucial MX200 SSD更便宜30%。然而，在19nm技术节点时，MX300却较采用MLC平面NAND的SanDisk SSD PLUS更昂贵。

堆栈单元层数高可降低每位成本：如果增加堆栈层数，那么，包括单元尺寸、字符线步阶大小、单元效率与低晶圆产能等各种技术问题将会变得更棘手。如图1的SSD价格比较所示，64层SSD的价格比平面NAND更昂贵。当堆栈单元层数超过64层时，诸如电流密度、单元均匀度、薄膜应力、通道孔的深宽比等技术难度将呈指数级攀升。这就好像住在高楼层建筑物的生活费难道会比在低楼层住宅生活更便宜吗?因此，在每位成本与堆栈单元层数之间存在着高度不确定性。 

 图2：对于3D-NAND的期待与现实

3D-NAND具有比平面NAND更高的性能和可靠度。那么，这将有助于增加3D-NAND的价值?这个问题的答案算对，也算不对，端视你拿什么来做比较。如果我们比较TLC平面NAND和TLC 3D-NAND，那么TLC 3D-NAND具有更高的性能与可靠度。然而，单纯以性能和可靠度方面来看，MLC平面NAND更优于TLC 3D NAND。例如，Crucial MX200 (在16nm技术节点，采用MLC平面NAND)比Crucial MX300(采用32层TLC 3D-NAND)具有更好的性能。

随着3D-NAND日趋成熟，3D-NAND将会比平面NAND更便宜：3D-NAND已经从4年前开始量产了，目前，三星每个月为3D-NAND产品生产大约14万片晶圆。根据IHS Markit负责分析NAND市场的NAND闪存技术研究总监Walter Coon介绍，3D-NAND预计将在2017年底以前占所有NAND产量的35%至40%。因此，我们可以说3D-NAND已经成熟了。

过去60年来，半导体IC技术基于一个非常简单的经验法则——摩尔定律(Moore’s Law)，取得了令人瞩目的成就。然而，众所周知，这个原则再也不适用于NAND闪存了。因此，大多数的NAND供货商选择了3D-NAND的发展路径，期望追求比平面NAND更低的每位成本。一开始，3D-NAND似乎很自然地成了NAND的选择。然而，3D-NAND至今仍无法达到低成本。

因此，现在应该是业界开始讨论3D-NAND是否会是NAND闪存正确发展路径的最佳时机了。

3D NAND

3D NAND是英特尔和镁光的合资企业所研发的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。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是英特尔和镁光的合资企业所研发的一种技术，它的概念其实非常简单：不同于将存储芯片放置在单面，英特尔和镁光研究出了一种将它们堆叠最高32层的方法。这样一来，单个MLC闪存芯片上可以增加最高32GB的存储空间，而单个TLC闪存芯片可增加48GB。

3D NAND闪存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。

什么是3D NAND闪存?

从新闻到评测，我们对3D NAND闪存的报道已经非常多了，首先我们要搞懂什么是3D NAND闪存。

从2D NAND到3D NAND就像平房到高楼大厦

我们之前见过的闪存多属于Planar NAND平面闪存，也叫有2D NAND或者直接不提2D的，而3D 闪存，顾名思义，就是它是立体堆叠的，Intel之前用盖楼为例介绍了3D NAND，普通NAND是平房，那么3D NAND就是高楼大厦，建筑面积一下子就多起来了，理论上可以无线堆叠。

3D NAND与2D NAND区别

3D NAND闪存也不再是简单的平面内存堆栈，这只是其中的一种，还有VC垂直通道、VG垂直栅极等两种结构。

3D NAND闪存有什么优势?

在回答3D NAND闪存有什么优势的时候，我们先要了解平面NAND遇到什么问题了——NAND闪存不仅有SLC、MLC和TLC类型之分，为了进一步提高容量、降低成本，NAND的制程工艺也在不断进步，从早期的50nm一路狂奔到目前的15/16nm，但NAND闪存跟处理器不一样，先进工艺虽然带来了更大的容量，但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。

相比之下，3D NAND解决问题的思路就不一样了，为了提高NAND的容量、降低成本，厂商不需要费劲心思去提高制程工艺了，转而堆叠更多的层数就可以了，这样一来3D NAND闪存的容量、性能、可靠性都有了保证了，比如东芝的15nm NAND容量密度为1.28Gb/mm2，而三星32层堆栈的3D NAND可以轻松达到1.87Gb/mm2，48层堆栈的则可以达到2.8Gb/mm2。

3D NAND闪存在容量、速度、能效及可靠性上都有优势

传统的平面NAND闪存现在还谈不上末路，主流工艺是15/16nm，但10/9nm节点很可能是平面NAND最后的机会了，而3D NAND闪存还会继续走下去，目前的堆栈层数不过32-48层，厂商们还在研发64层甚至更高层数的堆栈技术。

四大NAND豪门的3D NAND闪存及特色

在主要的NAND厂商中，三星最早量产了3D NAND，其他几家公司在3D NAND闪存量产上要落后三星至少2年时间，Intel、美光去年才推出3D NAND闪存，Intel本月初才发布了首款3D NAND闪存的SSD，不过主要是面向企业级市场的。

这四大豪门的3D NAND闪存所用的技术不同，堆栈的层数也不一样，而Intel在常规3D NAND闪存之外还开发了新型的3D XPoint闪存，它跟目前的3D闪存有很大不同，属于杀手锏级产品，值得关注。

四大NAND豪门的3D NAND闪存规格及特色

上述3D NAND闪存中，由于厂商不一定公布很多技术细节，特别是很少提及具体的制程工艺，除了三星之外其他厂商的3D NAND闪存现在才开始推向市场，代表性产品也不足。

三星：最早量产的V-NAND闪存

三星是NAND闪存市场最强大的厂商，在3D NAND闪存上也是一路领先，他们最早在2013年就开始量产3D NAND闪存了。在3D NAND路线上，三星也研究过多种方案，最终量产的是VG垂直栅极结构的V-NAND闪存，目前已经发展了三代V-NAND技术，堆栈层数从之前的24层提高到了48层，TLC类型的3D NAND核心容量可达到256Gb容量，在自家的840、850及950系列SSD上都有使用。

三星最早量产了3D NAND闪存

值得一提的是，三星在3D NAND闪存上领先不光是技术、资金的优势，他们首先选择了CTF电荷撷取闪存(charge trap flash，简称CTF)路线，相比传统的FG(Floating Gate，浮栅极)技术难度要小一些，这多少也帮助三星占了时间优势。

有关V-NAND闪存的详细技术介绍可以参考之前的文章：NAND新时代起点，三星V-NAND技术详解

东芝/闪迪：独辟蹊径的BiCS技术

东芝是闪存技术的发明人，虽然现在的份额和产能被三星超越，不过东芝在NAND及技术领域依然非常强大，很早就投入3D NAND研发了，2007年他们独辟蹊径推出了BiCS技术的3D NAND——之前我们也提到了，2D NAND闪存简单堆栈是可以作出3D NAND闪存的，但制造工艺复杂，要求很高，而东芝的BiCS闪存是Bit Cost Scaling，强调的就是随NAND规模而降低成本，号称在所有3D NAND闪存中BiCS技术的闪存核心面积最低，也意味着成本更低。

东芝的BiCS技术3D NAND

东芝和闪迪是战略合作伙伴，双方在NAND领域是共享技术的，他们的BiCS闪存去年开始量产，目前的堆栈层数是48层，MLC类型的核心容量128Gb，TLC类型的容量可达256Gb，预计会在日本四日市的Fab 2工厂规模量产，2016年可以大量出货了。

SK Hynix：闷声发财的3D NAND

在这几家NAND厂商中，SK Hynix的3D NAND最为低调，相关报道很少，以致于找不到多少SK Hynix的3D NAND闪存资料，不过从官网公布的信息来看，SK Hynix的3D NAND闪存已经发展了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推出的则是第三代3D NAND闪存，只不过前面三代产品主要面向eMCC 5.0/5.1、UFS 2.0等移动市场，今年推出的第四代3D NAND闪存则会针对UFS 2.1、SATA及PCI-E产品市场。

SK Hynix的3D NAND闪存堆栈层数从36层起步，不过真正量产的是48层堆栈的3D NAND闪存，MLC类型的容量128Gb，TLC类型的也可以做到256Gb容量。

Intel/美光：容量最高的3D NAND闪存

这几家厂商中，Intel、美光的3D NAND闪存来的最晚，去年才算正式亮相，不过好菜不怕晚，虽然进度上落后了点，但IMFT的3D NAND有很多独特之处，首先是他们的3D NAND第一款采用FG浮栅极技术量产的，所以在成本及容量上更有优势，其MLC类型闪存核心容量就有256Gb，而TLC闪存则可以做到384Gb，是目前TLC类型3D NAND闪存中容量最大的。

美光、Intel的3D NAND容量密度是最高的

384Gb容量还不终点，今年的ISSCC大会上美光还公布了容量高达768Gb的3D NAND闪存论文，虽然短时间可能不会量产，但已经给人带来了希望。

Intel的杀手锏：3D XPoint闪存

IMFT在3D NAND闪存上进展缓慢已经引起了Intel的不满，虽然双方表面上还很和谐，但不论是16nm闪存还是3D闪存，Intel跟美光似乎都有分歧，最明显的例子就是Intel都开始采纳友商的闪存供应了，最近发布的540s系列硬盘就用了SK Hynix的16nm TLC闪存，没有用IMFT的。

Intel、美光不合的证据还有最明显的例子——那就是Intel甩开美光在中国大连投资55亿升级晶圆厂，准备量产新一代闪存，很可能就是3D XPoint闪存，这可是Intel的杀手锏。

3D XPoint闪存是Intel掌控未来NAND市场的杀手锏

这个3D XPoint闪存我们之前也报道过很多了，根据Intel官方说法，3D XPoint闪存各方面都超越了目前的内存及闪存，性能是普通显存的1000倍，可靠性也是普通闪存的1000倍，容量密度是内存的10倍，而且是非易失性的，断电也不会损失数据。

由于还没有上市，而且Intel对3D XPoint闪存口风很严，所以我们无法确定3D XPpoint闪存背后到底是什么，不过比较靠谱的说法是基于PCM相变存储技术，Intel本来就是做存储技术起家的，虽然现在的主业是处理器，但存储技术从来没放松，在PCM相变技术上也研究了20多年了，现在率先取得突破也不是没可能。

相比目前的3D NAND闪存，3D XPoint闪存有可能革掉NAND及DRAM内存的命，因为它同时具备这两方面的优势，所以除了做各种规格的SSD硬盘之外，Intel还准备推出DIMM插槽的3D XPoint硬盘，现在还不能取代DDR内存，但未来一切皆有可能。

最后再回到我们开头提到的问题上——中国大陆现在也把存储芯片作为重点来抓，武汉新芯科技(XMC)已经在武汉开工建设12英寸晶圆厂，第一个目标就是NAND闪存，而且是直接切入3D NAND闪存，他们的3D NAND技术来源于飞索半导体(Spansion)，而后者又是1993年AMD和富士通把双方的NOR闪存部门合并而来，后来他们又被赛普拉斯半导体以40亿美元的价格收购。