最近，鎧俠首席技術(shù)官 (CTO) Hidefumi Miyajima 表示，計劃將在 2031 年批量生產(chǎn)超過 1,000 層的 3D NAND 存儲器。不少人感嘆，NAND 終究是卷到了 1000 層。
其實，在去年的 IEEE 論壇上，三星也提出了類似的觀點，預(yù)測到 2030 年將出現(xiàn) 1000 層 NAND。
1000 層 NAND，是「勇者」的游戲。
自推出 3D NAND 閃存以來，NAND 閃存行業(yè)在密度和技術(shù)方面取得了重大進步。盡管制程困難，但由于其優(yōu)越的單元特性和比特成本可擴展性，僅用了幾年時間，NAND 閃存的主流就從 2D NAND 轉(zhuǎn)向 3D NAND。
回顧 2D NAND，它采用平面架構(gòu)，浮動?xùn)艠O (FG) 和外圍電路彼此相鄰。2007 年，隨著 2D NAND 的尺寸達到極限，東芝提出了 3D NAND 結(jié)構(gòu)。
之后，存儲廠商通過在 3D NAND 中使用越來越多的層數(shù)來構(gòu)建更高容量的芯片，從而降低每 GB 的生產(chǎn)成本。
去年 3 月，SK 海力士在會議上發(fā)表了 300 層以上 NAND 論文；鎧俠推出了第 8 代 BiCS 3D NAND 閃存，為 218 層。5 月，美光推出了 232 層 QLC SSD。8 月，SK 海力士公布了 321 層堆疊 4D NAND Flash 閃存樣品。12 月，美光推出了 232 層工作站 SSD。
3D NAND 的層數(shù)之戰(zhàn)仍在繼續(xù)。
從理論上講，堆疊 1000 層以上的 NAND 是可行的，但需要解決堆棧過程中的蝕刻問題，即必須蝕刻具有非常高縱橫比的非常深的孔。盡管蝕刻技術(shù)在不斷進步，但一次性蝕刻更深的孔具有很大的挑戰(zhàn)，也無法提高蝕刻速度。而以沉積和蝕刻為主的工藝流程也堆棧如此多層數(shù)的話，將無法降低成本。
除了蝕刻之外，還需要用非常薄的介電層上下均勻地填充這個孔，而沉積幾納米的層并不容易，仍然具有挑戰(zhàn)性。
對于如何加高 NAND 層數(shù)，不同存儲企業(yè)有不同的方式。
在 3D NAND 中，最終的目標(biāo)是在基板上堆疊更多層，從而實現(xiàn)更高的密度。目前主要有兩種堆疊方式——單層或者雙層。
傳統(tǒng)上，采用的是單層方法。例如，三星的 92 層 3D NAND 器件將所有 92 層堆疊在同一芯片上，其 128 層也同樣是在同一芯片上堆疊了 128 層。
這種將所有層數(shù)堆疊在一個芯片上的方式，可以讓存儲廠商降低成本和開發(fā)時間。但是到 128 層的時候，就是單層的極限。這里的一個大問題就是刻蝕，目前一次性刻蝕達到 128 層就比較困難了。
然后，存儲廠商將主意打在了雙層上。就是比如一個 96 層的 NAND，是將兩個 48 層結(jié)構(gòu)堆疊在一起。美光的 176 層器件，就是采用這種方式，將兩個 88 層結(jié)構(gòu)堆疊在一起。雙層的好處就在于，更少的層數(shù)更容易進行刻蝕。
不過，在達到 300 層時，雙層似乎也不管用了，業(yè)內(nèi)認(rèn)為在制造 300 層芯片時，最常用的應(yīng)該還是三層堆疊。也有機構(gòu)表示，三星明年下半年推出的第十代 430 層 NAND，將會采用三層堆疊的方式。
三星：V-NAND 架構(gòu)
三星于 2013 年率先向市場推出「V-NAND」（V 代表 Vertical，垂直的意思）。
V-NAND 技術(shù)采用不同于傳統(tǒng) NAND 閃存的排列方式，通過改進型的 Charge Trap Flash 技術(shù)，在一個 3D 的空間內(nèi)垂直互連各個層面的存儲單元，使得在同樣的平面內(nèi)獲得更多的存儲空間。
一張顯示浮柵、電荷擷取閃存 (CTF) 以及 3D 垂直 NAND (V-NAND) 技術(shù)進展的展示圖
此外，三星 V-NAND 閃存還放棄浮柵極 MOSFET，使用電荷攫取閃存（charge trap flash，簡稱 CTF）設(shè)計。每個 cell 單元看起來更小了，但里面的電荷是儲存在一個絕緣層而非之前的導(dǎo)體上，理論是沒有消耗的。這種更小的電荷有很多優(yōu)點，比如更高的可靠性、更小的體積。
雖然三星推出的第一款 3D NAND 堆疊層數(shù)僅為 24 層，但在當(dāng)時卻打破了平面技術(shù)的瓶頸，并使 3D NAND Flash 從技術(shù)概念推向了商業(yè)市場。
之后的 10 年間，三星推出了數(shù)代產(chǎn)品，以維護自己在 NAND 閃存市場的地位。如 2020 年推出的 176 層的第七代「V-NAND」。
到目前，三星正在開發(fā)的是 300 層的第九代 V-NAND，還是使用的雙層堆疊技術(shù)，預(yù)計今年就將投入生產(chǎn)。
鎧俠：BiCS 架構(gòu)
沖頭和塞子的基本流程
BiCS 架構(gòu)是鎧俠在 2007 年提出的概念。在 BiCS FLASH 中，充當(dāng)控制柵極的板狀電極（上圖中的綠色板）和絕緣體交替堆疊，然后立即垂直開出（打孔）大量孔到表面。接下來，用電荷存儲膜（粉紅色所示的部分）和柱狀電極（灰色所示的柱結(jié)構(gòu)）填充（塞?。┌鍫铍姌O中開設(shè)的孔的內(nèi)部。在此條件下，板狀電極與柱狀電極的交點即為一個存儲單元。
BiCS FLASH 存儲單元
可以看一下 BiCS FLASH 存儲單元的放大視圖。在 BiCS FLASH 存儲單元中，電子在穿過柱中心的電極（灰色所示的結(jié)構(gòu)）和電荷存儲薄膜（粉色）之間交換。
這樣，不是一次一層地堆疊存儲單元，而是首先堆疊板狀電極，然后在板狀電極上開孔并連接電極，從而為所有層形成存儲單元一次性完成所有操作，以降低制造成本。
自 2007 年在學(xué)術(shù)會議上提出 BiCS FLASH「批量處理技術(shù)」概念以來，BiCS FLASH 產(chǎn)品已于 2015 年實現(xiàn) 48 層、2018 年 96 層、2020 年 112 層、2020 年 162 層的商用化。
目前，鎧俠最好的 3D NAND 器件是第八代 BiCS 3D NAND 存儲器。新閃存包含四個平面（plane），應(yīng)用了先進的晶圓鍵合、橫向收縮技術(shù)，并在橫向收縮、縱向收縮方面取得平衡，存儲密度比上代提升超過 50％，達到了 1Tb(128GB)。
值得一提的是，西數(shù)、鎧俠開發(fā)了新的 CBA 技術(shù)，也就是將 CMOS 直接鍵合在陣列之上（CMOS directly Bonded to Array），每個 CMOS 晶圓、單元陣列晶圓都使用最適合的技術(shù)工藝獨立制造，再鍵合到一起，從而大大提升存儲密度、I/O 速度。
SK 海力士：4D NAND
SK 海力士將自己的堆疊方式稱為 4D NAND。在 2018 年，SK 海力士就推出了 96 層的 4D NAND。
2D NAND 到 4D NAND 的發(fā)展概念圖 來源：SK 海力士
傳統(tǒng)的 3D NAND 架構(gòu)由堆疊的 NAND 陣列和外圍電路組成。外圍電路控制陣列并管理存儲器讀取和寫入。在大多數(shù)設(shè)計中，外圍電路放置在 3D NAND 陣列旁邊。這種布局占用了裸片區(qū)域，并最終限制了可用于內(nèi)存本身的區(qū)域數(shù)量。
SK 海力士將過去放置在存儲單元旁側(cè)的外圍電路轉(zhuǎn)移至存儲單元下方，減少了芯片占用空間。并將其稱之為 4D NAND。據(jù) SK 海力士的說法，其之后推出的 128 層 1Tb TLC 4D NAND，生產(chǎn)效率和成本效益分別提高了 40% 和 60%。
外圍電路是 4D NAND 的底層
更具體的，我們還可以看 SK 海力士最新的 321 層 NAND。每個硅芯片可提供 1Tbit 的存儲容量，同時利用 3 位/單元 (TLC) 多級存儲方法，與前代產(chǎn)品相比，該增強版本的存儲密度提高了 41%，讀取延遲降低了 13%，寫入吞吐量提高了 12%，讀取功耗降低了 10%。
在堆疊方式上，也于慣例有所不同，并不是采用雙層堆疊 150 層，而是選擇了三層堆疊，每個堆棧包含 107 層。
在 300 層以上 NAND 方面，SK 海力士的 NAND 開發(fā)主管 Jungdal Choi 在一場演講中放言：「憑借解決堆疊限制的另一項突破，SK 海力士將開啟 300 層以上 NAND 時代并引領(lǐng)市場?！?
其實 4D NAND 背后的概念，在其他地方使用過。比如，英特爾和美光等公司之前在其 3D NAND 中采用了相同的架構(gòu)，但將其稱為「CMOS under Array」（CuA）技術(shù)。
NAND 市場依舊焦灼。從市場份額來看，2023 年第四季度，三星仍牢牢占據(jù)著 NAND 閃存市場的頭把交椅。
三星四季度 NAND Flash 銷售收入 43.36 億美元，環(huán)比增長 46.5%，市場份額 35.4%；SK 海力士（包括 Solidigm）四季度 NAND Flash 銷售收入為 24.49 億美元，環(huán)比增長 32.7%，市場份額為 20.4%；鎧俠四季度 NAND Flash 銷售收入為 17.81 億美元，環(huán)比增長 5.6%，市場份額為 14.6%；西部數(shù)據(jù)四季度 NAND Flash 銷售收入為 16.65 億美元，環(huán)比增長 7.0%，市場份額為 13.6%。
此外，NAND 閃存產(chǎn)業(yè)鏈動態(tài)頻出，部分廠商表示有提價或提高產(chǎn)能利用率的意愿。NAND 的市場價格也在快速上漲。
今年 2 月，NAND 閃存通用產(chǎn)品的 2 月份平均固定交易價格為 4.9 美元。盡管第二季 NAND Flash 采購量較第一季小幅下滑，但整體市場氛圍持續(xù)受供應(yīng)商庫存降低，以及減產(chǎn)效應(yīng)影響，預(yù)估第二季 NAND Flash 合約價將強勢上漲約 13%~18%。
從市場動態(tài)和需求變化來看，NAND Flash 正在經(jīng)歷新一輪的變革。
結(jié)語
NAND 閃存結(jié)構(gòu)從最初的 2D 到如今的 3D、4D，層數(shù)不斷提高，24 層、36 層、48 層、96 層、128 層、176 層、200+層，到最近三星規(guī)劃的 1000 層，半導(dǎo)體從業(yè)者對技術(shù)的追求沒有止境。
曾經(jīng)在 2016 年，專家指出，由于技術(shù)問題，3D NAND 可能會在 300 層或接近 300 層時失去動力。但到了今天，這似乎并不是問題。
Objective Analysis 首席分析師吉姆·漢迪 (Jim Handy) 表示：「實際上是沒有物理限制的。在半導(dǎo)體領(lǐng)域，總是有人說我們做不到。之前，有人說我們無法進行 20 納米以下的光刻?，F(xiàn)在，他們正在研究 1 納米。三星談到了 1000 層。20 年后，我們可能會嘲笑我們曾經(jīng)認(rèn)為這已經(jīng)很多了?！?
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