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    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寸晶圆厂投产后直接生产3D NAND闪存,这可是当前闪存市场的大热门,来势凶猛。那么3D NAND闪存市场现在到底是个什么样呢?

    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3D NAND闪存了,而且可以预见这种趋势还会继续下去,越来越多的闪存及SSD硬盘都会转向3D NAND技术。今天的超能课堂中我们就简单说下3D NAND闪存,汇总一下目前四大NAND豪门的3D NAND闪存的规格及特色。

    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,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,理论上可以无限堆叠。


    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SLCMLC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。

    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。不过小编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,成本上不会有什么优势。

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