來源：由半導體行業觀察原創（ID：icbank）

近日，三星電子宣布，已經開始批量生產第五代V-NAND 3D堆疊快閃記憶體，稱其同時擁有超大容量和超高速度。

據悉，三星第五代V-NAND採用96層堆疊設計，是目前行業最高紀錄，內部集成了超過850億個3D TLC CTF存儲單元，每單元可保存3比特數據，單Die容量達256Gb（32GB）。這些單元以金字塔結構堆積，並在每一層之間貫穿極微小的垂直通道孔洞，僅有幾百微米寬。

三星稱，它在業內首次使用了Toggle DDR 4.0介面，在存儲與內存之間的數據傳輸率高達1.4Gbps，比上一代64層堆疊產品提升了40％，同時電壓從1.8V降至1.2V，能效大大提高。此外，其數據寫入延遲僅為500微秒，比上一代提升30％，而讀取信號響應時間也大幅縮短到50微秒。

三星表示，會率先打造單模256Gb容量的V-NAND，與目前大多數三星消費類SSD使用的相同尺寸，預計會在移動及SSD市場中得到廣泛應用，未來將會推出基於第五代V-NAND的1Tb及QLC產品。

而關於第五代V-NAND快閃記憶體的推出，三星最早是在2017年8月在舊金山快閃記憶體峰會上公布的。

目前，三星的主力產品是第四代V-NAND，它是在2016年的舊金山全球快閃記憶體峰會（Flash Memory Summit）上發布的，其最大特點就是在堆疊層數上由第三代的48層提升到了64層。

據悉，具有64層堆棧的第四代V-NAND為，核心容量為256-512Gb，2017年上半年已經大規模量產。

而三星第一代3D V-NAND，是在2013年8月開始量產的。那一代V-NAND產品，每個die容量有128Gb（16GB），通過3D堆疊技術可以實現最多24層die堆疊，這使得24層堆疊的總容量達到了384GB。

在2016年的舊金山快閃記憶體峰會上，三星公布了Z-NAND與Z-SSD的相關信息。後者基於第四代V-NAND，但由於具有一些新的特性（介於DRAM內存和NAND快閃記憶體之間）、包含獨特的電路設計與優化後的主控，三星於是用Z-NAND來命名這款快閃記憶體晶元。相比其他NAND，當時發布的Z-SSD延遲有大幅度的降低，而讀取速度提高了近2倍。

而在2017年8月的快閃記憶體峰會上，三星Z-SSD「概念機」正式落地，被命名為SZ-985，3個月後，SZ-985於2017年11月正式發布。

據悉，Z-SSD非常穩定，能夠在整個生命周期內保持同樣的延遲時間，不會因為使用時間長改變延遲性能。三星還在積極開發第二代產品，據說可以大大降低成本，而且保持了低延遲的性能。

V-NAND強在哪裡

與2D平面快閃記憶體相比，V-NAND垂直結構有明顯優勢，主要包括以下兩點：

1、容量增加：每個存儲塊中的頁數增加2倍，每個存儲塊中可以包含的位元組數，由1024K Bytes增加到了3*1024K Bytes. 位元組數的增加，代表存儲容量的增大；

2. 性能提升：V-NAND的每個頁的寫入時間為0.6ms，而平面NAND中的頁寫入時間是2ms, V-NAND快了1.4ms,。隨機讀方面，V-NAND和平面NAND只相差3us, 處於同一水平。在存儲塊擦除方面，V-NAND比平面NAND快了1ms.

在2D平面NAND中，隨著製程進入20nm以下，不同存儲單元之間的干擾效應越來越嚴重，為了減少干擾，三星在V-NAND中引入了電荷陷阱（Charge Trap Flash, CTF）的概念，目的就是儘可能的消除存儲單元之間的干擾。與平面NAND相比，V-NAND存儲單元的分布區間變窄了33%，這樣的好處就是減少了讀寫的錯誤幾率，讓cell更加可靠。另外，V-NAND的存儲單元之間的干擾下降了84%，同樣，不同存儲單元之間的干擾減少，也可以很大程度上提高NAND的可靠性。

如下圖所示，在水平方向，即bit line方向，不同存儲單元之間相距較遠，且有絕緣層阻隔，可以說在水平方向，不同存儲單元之間的干擾基本不存在。

在垂直方向，不同cell之間的距離達到40nm, 比平面NAND的十幾nm要大很多，所以，在垂直方向，不同存儲單元之間的干擾很小。

在2D平面NAND中，存儲單元採用的是浮柵結構，電荷存在浮柵導體中。而在三星V-NAND中，存儲單元採用的是CTF結構，電荷儲存在絕緣體中，與浮柵結構相比，CTF結構由於電荷儲存在絕緣體中，電荷更不容易跑出去，所以，在某種程度上，可以說採用CTF結構的NAND快閃記憶體比採用浮柵結構的NAND快閃記憶體更加可靠。

簡單來講，由於傳統NAND面臨著容量要想提高，製程就越先進，可靠性和性能越低這樣的困境，而三星的解決方案就是V-NAND，它不再追求縮小cell單元，而是通過3D堆疊技術封裝更多cell，這樣也可以達到容量增多的目的。

通過3D堆疊，V-NAND可以垂直方向擴展NAND密度，那就沒有繼續縮小晶體管的壓力了，所以三星可以使用相對舊的工藝來生產V-NAND快閃記憶體，不必非要演進到10nm以下了。

3D NAND市場風起雲湧

3D NAND的發展速度越來越快，如今，96層堆疊的產品都開始量產了。雖然業界對於各家存儲器廠商紛紛上馬3D NAND項目，使得產能過剩的擔憂此起彼伏，但依然沒有打消廠商追求最先進3D NAND的熱情，這其中不只有以三星（當前，三星是全球最大的NAND供應商）為代表的傳統大廠，中國本土的後起之秀也在該領域努力追趕，並極力擴大產能。

可以說，國際大廠都在加快推進3D NAND的技術演進，不只有三星一家，美光、東芝、西數、SK海力士也都在摩拳擦掌，暗中蓄力，以便加高自身的技術壁壘，拉開與競爭者的差距，為下一波市場爭奪戰做好準備。

而在近日舉行的國際存儲研討會（IMW 2018）上，應用材料公司表示，到2020年，3D存儲堆疊可以做到120層，2021年可以達到140層。

除了3D堆疊之外，存儲廠商也在力圖通過改善數據儲存單元結構與控制器技術來增加單位存儲容量，美光便率先推出QLC 3D NAND，將單位存儲容量提升了33%。

還以三星為例，據悉，該公司正在研發128層的3D NAND。其它廠商方面，東芝與西部數據曾經宣布已完成96層3D NAND的研發，並多次擴大Fab6工廠的投資金額，為96層3D NAND的量產做準備。英特爾和美光也曾表示，96層3D NAND的開發結果將於2018年底或2019年初交付，預計英特爾和美光96層3D NAND可在2019年下半年實現量產。

目前，中國投入3D NAND的企業，以長江存儲為主，其項目進展的速度也很快。2016年12月底，由長江存儲主導的國家存儲器基地正式動土，官方預期分三階段，共建立三座3D-NAND Flash廠房。第一階段廠房已於2017年9月完成興建，預定2018年第三季開始移入機台，並於第四季進行試產，初期投片不超過1萬片，用於生產32層3D-NAND Flash產品，並預計於自家64層技術成熟後，再視情況擬定第二、三期生產計劃。

而準備量產的32層3D-NAND Flash產品，是武漢長江存儲與中科院微電子所最著名的合作案例，已於近期試產成功，還榮獲了2018年產業技術創新聯盟創新獎。

據悉，雙方的合作始於2014年，當時正式啟動了3D NAND合作項目；

2015年，完成了9層結構的3D NAND測試晶元，實現了電學性能驗證；

2016年，實現了32層測試晶元研發及驗證，注資240億美元建設國家存儲器基地；

2017年，測試晶元良率大幅提升，並實現了首款晶元的流片；

2018年，開始了3D NAND存儲晶元生產線試產。

紫光集團董事長、長江存儲董事長趙偉國曾經表示，武漢長江存儲基地將募資800億元，金額已經全數到位，今年可進入小規模量產，明年進入128Gb的3D NAND 64層技術的研發。據紫光集團全球執行副總裁暨長江存儲執行董事長高啟全透露，長江存儲的3D NAND快閃記憶體已經獲得第一筆訂單，總計10776顆晶元，將用於8GB USD存儲卡產品。

綜上，無論是國際大廠，還是中國的本土新貴，都在不遺餘力地發展3D NAND技術。而在各項性能指標中，堆疊層數成為了最為顯眼和受矚目的元素，這就像是在製程工藝方面，節點（10nm，7nm，5nm等）成為了人們關注的焦點一樣，隨著工藝的演進，節點微縮的難度越來越大，不知道3D NAND的堆疊層數是否也會如製程節點一樣。眼下三星量產的96層是否已經逼近了物理極限呢？

文/半導體行業觀察 張健

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