神秘的3D NAND

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传统的平面NAND闪存现在还谈不上穷途末路，其目前的主流工艺是15/16nm，但10/9nm的节点很可能是平面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。

就在上个月底，武汉新芯科技主导的国家级存储器产业基地正式动工，在大基金的支持下该项目将投资240亿美元建设国内最大、最先进的存储器芯片生产基地。如此巨额的投资使得该项目争议不小，不过更应该注意的是，国内公司这次“进军”存储芯片的起点不低，新建的12寸晶圆厂投产后可直接生产3D NAND闪存——这可是当前闪存市场的大热门，可谓是来势凶猛。那么，3D NAND闪存市场现在的近况到底是个什么样呢？

从三星的840系列硬盘再到Intel刚发布的DC P3520硬盘，三星、SK Hynix、东芝/闪迪、Intel/美光这四大NAND豪门都已经涉足了3D NAND闪存，而且可以预见这种趋势还会继续下去，毫无疑问，会有越来越多的闪存及SSD硬盘都会转向3D NAND技术。有鉴于此，我们就简单向读者介绍一下3D NAND闪存，并汇总目前四大NAND豪门所使用的3D NAND闪存规格及特色。

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，3D NAND的出镜率近期也是相当高，那么什么是3D NAND闪存呢？我们不妨再来复习一下。

在3D NAND这一概念出现之前，市面上的闪存多属于Planar NAND，即平面闪存，也称为2D NAND（或者直接省掉 “2D”前缀）。而对于3D 闪存，顾名思义，它指的是立体的堆叠方式，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，建筑面积瞬间就多起来了，且理论上可以无限堆叠。

另外，3D NAND闪存也不再是简单的平面内存堆栈（这只是其中的一种方式），还包括有VC垂直通道、VG垂直栅极这两种结构。

3D NAND闪存有什么优势？

在回答3D NAND闪存有什么优势之前，我们先要了解平面NAND遇到了怎样的问题——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闪存的制程工艺是把双刃剑，在容量提升、成本降低的同时，闪存的可靠性及性能都在下降，因为工艺越先进，NAND的氧化层越薄，可靠性也就越差，为此，厂商就需要采取额外的手段来弥补，但这又会变相提高制造成本，以致于在达到某个性能和成本的平衡点之后，制程工艺已经无法再带来优势了。

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，转而去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。比如东芝的15nm NAND容量密度为1.28Gb/mm?，而三星32层堆栈的3D NAND可以轻松达到1.87Gb/mm?，48层堆栈的甚至可以达到2.8Gb/mm?。

当然，传统的平面NAND闪存现在还谈不上穷途末路，其目前的主流工艺是15/16nm，但10/9nm的节点很可能是平面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，三星最早实现了3D NAND的量产，其他几家公司在3D NAND闪存量产上则要落后三星至少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采用3D NAND闪存的SSD，且主要是面向企业级的市场。

这四大豪门的3D NAND闪存所用的技术各不相同，堆栈的层数也不一样。值得一提的是，除了常规3D NAND闪存之外，Intel还开发了新型的3D XPoint闪存，它跟目前的3D闪存有很大不同，应该属于杀手锏级产品，非常值得关注。

上述3D NAND闪存中，由于厂商通常不会公布很多技术细节，特别是很少提及具体的制程工艺，因此目前可供介绍的内容比较有限。事实上，除了三星以外，其他厂商的3D NAND闪存才刚刚开始推向市场，也鲜有代表性的产品。

三星：最早量产的V-NAND闪存

三星不仅是NAND闪存市场中最强大的厂商之一，而且在3D NAND闪存上也是一路领先，他们最早在2013年就开始了量产3D NAND闪存。在3D NAND路线上，三星曾研究过多种方案，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。

毫无疑问，三星在3D NAND闪存领域具有显著的技术、资金优势，同时，他们还首先选择了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）技术难度要相对小一些，这多少也帮助三星赢得了一定的时间优势。

东芝/闪迪：独辟蹊径的BiCS技术

东芝是闪存技术的发明人，尽管现在的份额和产能被三星超越，不过东芝在NAND技术领域依然非常强大。事实上，东芝很早就开始了3D NAND的研发工作，2007年他们独辟蹊径地推出了BiCS技术的3D NAND——之前我们也提到了，2D NAND闪存可以通过堆栈作出3D NAND闪存，说起来简单，但制造工艺十分复杂，要求很高，而东芝的BiCS闪存则是Bit Cost Scaling，它强调的就是随NAND规模增加而降低成本，号称在所有3D NAND闪存中BiCS技术的闪存核心面积最低，当然这也意味着成本更低。

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年就可以大量出货了。

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，以致于我们找不到太多SK Hynix的3D NAND闪存资料。不过，从其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闪存推出的最晚，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，他们的3D NAND是第一款采用FG浮栅极技术量产的产品，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。

当然，384Gb的容量还不是终点，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，但已经给我们带来了新的希望。

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、美光不睦的证据还有一个比较明显的例子——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，且很可能就是3D XPoint闪存，这可是Intel的杀手锏。

关于3D XPoint闪存，我们之前也进行过较为详实的介绍，根据Intel官方的说法，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闪存守口如瓶，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过，在PCM相变技术上也研究了20多年了，现在率先取得突破也并不意外。

相比目前的3D NAND闪存，3D XPoint闪存有可能同时取代现有的NAND及DRAM内存，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。也许3D XPoint暂时还无法替代DDR内存，但考虑到技术的突飞猛进，未来一切皆有可能。

最后，再回到文章开头提到的问题上——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。

2015年新芯科技与飞索半导体达成了合作协议，双方合作研发、生产3D NAND闪存，主要以后者的MirrorBit闪存技术为基础，遗憾的是，我们搜遍了网络也没找到多少有关MirrorBit的技术资料。这两家公司的闪存技术多是NOR领域的，3D NAND显然是比不过三星、SK Hynix及东芝等公司的，有一种说法是MirrorBit的堆栈层数只有8层，如果真是这样，相比主流的32-48层堆栈就差很远了，成本上很难会有什么优势。□