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信任咱们都有所领会，当咱们在置办苹果手机时，差其他内存大小价钱也距离很大，这个内存指得便是闪存（Flash），苹果是*家行使闪存来存储数据的公司。闪存又包含NOR Flash和NAND Flash二种，不过NOR Flash的容量较小志同道合往常为1Mb-2Gb，而NAND Flash能供给极高的单元密度，可抵达高存储密度，适用于很多数据的存储，因而也是干流的闪存手工。从2018年转换，全球大多数的智能手机都已转换运用3D NAND存储芯片，不只是智能手机，3D NAND芯片在数据中心、云、服务器、SSD、PC等范畴也反常受迎候。

在3D NAND手工推出之前，NAND闪存均为2D平面方法。2D NAND架构的原理就像是在一个有限的平面上盖平房，平房的数目越多，容量也就越大。过往存储芯片厂商将平面NAND中的单元标准从120nm扩展到1xnm 节点，完结了100倍的容量。不过跟着单元标准抵达14纳米的物理极限，2D结构在扩展存储容量方面有着很大的局限性（当工艺标准抵达必定阶段之后，闪存就很简单半响电子丢掉而丢掉其间保存的数据）。

跟着2D NAND的微缩抵达极限，2007年东芝（现在的铠侠）提出了3D NAND结构的手工理念，3D NAND是职业的一个立异性倾向。与减少每个节点单元标准的平面NAND差异，3D NAND运用更宽松的工艺，约莫介于30 纳米到 50 纳米之间，它经过增加笔直层数来取得更大的存储容量。因而，咱们也能够看到，现在干流的存储芯片制作商均在竞相经过增加3D NAND笔直门数，以此来进步存储密度。他们承揽计划了下一代3D NAND产品，包含232层/238层，乃至更大到4xx层乃至8xx层。包围都在盖楼，然则各家盖楼所接收的架构却有所差异。

架构一：V-NAND，代表厂商：三星

2013年，三星首先推出了V-NAND闪存，其间的V代表Vertical，笔直的意思，这是一种经过笔直堆叠3D空间中的穿孔毗连其单元层的解决方案。三星是全国上*家开发和商业化3D内存解决方案的公司，也为存储器职业缔造了全新的类型。

2013年，三星所开发的*个 V-NAND闪存仅有24层，现在三星的V-NAND承揽成长到第八代，它共有200多层。2022年11月7日，三星宣告已转换量产具有200层以上的第八代1 TB的3D NAND (V-NAND)，并规划凭据顾客需求将其推向商场。 并且三星的意图是到2030年完结1000层。V-NAND闪存不断成长，每一代新的V-NAND都带来了明显的功能宗族，以及更低的功耗。

在此，值得一提的是，在V-NAND 128层曾经，三星的V-NAND接收的是单层蚀刻手工，它经过圆柱形通道毗连电池，能够一次堆叠跨过100层，并经过10亿多个孔互连。除了其立异的结构，V-NAND还接收了电荷圈套闪存 (CTF) 手工来消除单元间滋扰。经过在电池中引进非导电的氮化硅层，CTF手工使V-NAND手工免受电荷走漏和数据损坏的影响。依附着这一超高纵横比 (UHAR) 孔蚀刻支撑的单层手工，三星一向主导着128层的3D NAND。

然则单次刻蚀最多也就到128层，因而，在 128 层配备之外，许多竞争对手接收的都是双层方法，例如美光将两个88层的结构彼此堆叠，然后构成一个176层的器材；英特尔的144L 3D QLC规划承揽转向了3层客栈：48 48 48层，这种方法更简单实施。层数越少，履行HAR蚀刻过程就越简单。

到了第七代512Gb 176层的TLC芯片，三星转换接收COP（Cell-on-Periphery）结构，后续1Tb 238L TLC产品将是第二代COP TCAT V8 V-NAND。COP结构的存储单元阵列区域坐落外围配备上方，但COP结构照样有部分外围配备仍坐落单元外部，这意味着碍手碍脚减少单元阵列以及单元阵列下方和周围的外围区域，来减小芯片标准。

架构二：CuA，代表厂商：美光/英特尔

美光从*代32层3D NAND就转换接收这种在芯片的外围逻辑上构建其3D NAND阵列的方法，美光将之称为是CuA（CMOS-under-array）。该架构为容量增进、密度、功能和本钱改进供给了一种扩展方法。将NAND的位单元阵列堆叠成更多层，每平方毫米硅片供给更多bit，然后完结更高的密度和更低的每bit本钱。

2022年7月下旬，美光宣告了其232层3D NAND，据美光称，此232层的3D NAND完结每平方毫米最高的TLC密度(14.6 Gb/mm2)。面密度比同类TLC产品高35%到100%。据美光的信息，该3D NAND配备分红六个平面（当今商场上的许多NAND配备只要两个平面，也有的前沿规划接收四个平面分区来通道命令和数据流），以完结更高的并行度，然后进步功能。在每个芯片的基础上，增加的并行性经过支撑能够绑架向 NAND 配备宣告更多的读写命令，进步了备注和随机接见的读写功能。就像高速公路志同道合，车道越多，拥堵越少，经过给定区域的交通流量就越大。现在美光的232 层 NAND已出货。

英特尔和美光此前研发了FG CuA 3D NAND，在此科普一下，NAND闪存的存储单元手工大致分为浮栅（FG）手工和电荷圈套（CT）手工。FG手工存储单元有一个栅极（起浮栅极），它在单元晶体管的操控栅极和沟道之间电起浮，经过向起浮栅极注入电荷（改动单元晶体管的阈值）来写入数据。

此前的2D NAND闪存所运用干流手工正是FG手工，不过跟着NAND闪存手工从2D走向3D，除了英特尔-美光同盟外，各大厂商都抛弃了FG手工，转而接收CT手工，如上文中说到的三星。接收CT手工的首要原因原由是CT手工在制作通孔存储器时比FG手工俭朴。而FG 手工因其*的数据保存特征、高温特征和优于CT手工的可控性而遭到高度评价。

英特尔-美光同盟开发的3D NAND闪存手工共有三代，*代是连系了32层内存通孔和TLC（3bit/cell）型多级内存的硅die，内存容量为384Gbit。第二代周全引进了CuA手工,将层数增加一倍至64 层（2个32 层堆叠）的硅芯片，并与 TLC 和 QLC（4 bit/cell）多级存储器手工相连系完结了商业化。第三代抵达96层（2个48 层堆叠），存储容量与二代相等，硅面积减少至76%左右。

Intel-Micron同盟的3D NAND闪存手工

（图源：pc.watch）

Intel 第四代的144层转向自研，该NAND string初次在source和bitline之间由三层（upper deck，middle deck，lower deck和48L）组成，并为TLC和QLC配备保存了FG CuA结构。每个deck都能够分配给 QLC 或 SLC 块的随意组合，以充分获益于英特尔在存储系统中的新的block-by-deck观念。

不过英特尔承揽退出了3D NAND商场，以90亿美元的价钱将该经营出售给了SK海力士。

架构三：BiCS，代表厂商：铠侠/WD/SK海力士

铠侠（Kioxia）和西部数据（WD）正在联合开发名为 BiCS Flash的3D NAND。铠侠的前身是东芝，如最初所述，东芝是全国上*个发现闪存（1987年）并且提出3D NAND手工的公司。早在Kioxia照样东芝的时间，就与SanDisk建立了闪存相助伙伴联系，厥后西部数据收买了SanDisk，东芝成为了Kioxia，两家便建立了合资企业Flash Ventures（FV），成为相助伙伴。FV由WD / Kioxia各具有50/50的比例，晶圆产能也被分红50/50的比例。

KIOXIA于2007年在学术聚会上提出了BiCS FLASH™“批处置手工”的观念。据铠侠对BiCS FLASH™“批处置手工”的注释是：在BiCS FLASH™中，有一个板状电极作为操控栅(下图中的绿色板)和绝缘体替换堆叠，然后笔直于外面绑架翻开(冲孔)很多的孔。接下来，在板状电极中翻开的孔的内部部分填充(阻塞)电荷存储膜(粉红色部分)和柱状电极(灰色部分为柱状结构)。在此条件下，板状电极与柱状电极的交点为一个存储单元。在BiCS FLASH™存储单元中，电子在穿过柱中心的电极（灰色结构）和电荷存储膜（粉红色）之间沟通。这样，存储单元不是一层一层地堆叠起来，而是先堆叠板状电极，然后在它们之间开一个孔，毗连电极，这样就构成了一切层的存储单元一次性下降制作本钱。

2015年铠侠&西部数据推出了48层BiCS 3D NAND ，2017年为64层，2018年为96层，2020年抵达112层。2021年，铠侠和西部数据宣告了他们的第六代 BiCS 3D NAND 手工，该手工有162层，这也是接收CuA观念的*款产品。西部数据泄漏的蹊径图中显现，下一代“BiCS ”将在2023 年末推出，层数应增加到200多个。

西部数据的NAND成长蹊径图

（图源：西部数据）

作为全球最首要的NAND闪存公司之一，SK海力士是终究一家开发3D NAND闪存手工的公司。据Tech insights的分析，从2015年到2019年，SK Hynix连续开发了四种类型的存储单元阵列：2015年至2016年开发的*存储单元阵列接收类似于Kioxia开发的称为“ SP-BiCS”的单元阵列“ P-BiCS”的结构，似乎是32层；2017年其又开发了存储单元阵列的改进版别—“ DP-BiCS Gen1”，估计为48层；2018年，SK海力士开发了一种名为“ DP-BiCS Gen2”的存储单元阵列，该阵列具有将存储客栈分为两个“层”（也称为“甲板”）的结构，估计为72层。

架构四：4D PUC，代表厂商：SK海力士

2018年11月，从第四代96层3D NAND转换，SK海力士推出了新的命名法——4D PUC（Periphery Under Cell），PUC是一种将外围电路从头定位到电池底部的手工，如下图所示。只管有这个姓名，该公司并没有在四维空间中建立产品，“4”这个数字所代表的着实是一种先进性（而不是指进入第四维度）。它是3D架构变体的商品名，第一批所谓的4D NAND配备宗族了CTF（电荷撷取闪存）NAND阵列下的外围电路，然后在芯片上节省更多空间，并进一步下降出产本钱。依据SK海力士的说法，与3D比较，4D 产品单元单元面积更小，出产功率更高。

98层之后，SK海力士连续开宣告128层、176层3D NAND。2022年8月，SK海力士宣告已开宣告全国最高238层4D NAND闪存，也是标准最小的NAND，估计2023年上半年转换量产。SK 海力士现在的4D NAND手工现已被公认为职业标准。

PUC架构使得4D NAND答应在结实区域内完结高密度，减小了芯片标准，但瑕玷是堆叠手工可能在未来抵达极限。SK海力士规划以多站点电池（MSC）为焦点来打败这一妨碍，经过微制作将现有电池分红两个较小的电池来存储数据，减少电池堆叠的数目，绑架水平扩展电池密度，这也是SK海力士 4D 2.0的手工观念的焦点要素之一。

架构五：Xtacking，代表厂商：长江存储

3D闪存中除了存储阵列之外这些外围电路会占有相当大的芯片面积，能够看出，上述这些存储厂商所接收的架构大多是是将外围电路放到存储单元下方。而长江存储所接收的是与其他公司彻底差其他方法——Xtacking。

Xtacking手工是把存储阵列和外围电路离开来做，划分在两个自力晶圆上加工，包围NAND闪存不适适用更先进的制程来加工，然则外围的电路却能够。两部分选用适宜的工艺节点完结后，完结的内存阵列晶圆经过数十亿个笔直互连通道(VIAs)毗连到外围晶圆。如下图所示，将外围电路坐落内存之上，然后经过铜搀杂键合手工堆叠并毗连它们，可完结更高的位密度。然则这种粘合手工依然很贵重。

总结

迄今为止，干流的3D NAND架构大致有以上这五种：V-NAND、BiCS、CuA（COP）、4D PUC和Xtacking。但是就像盖挑夫大厦志同道合，俭朴的堆层数不是终究意图，挑夫不只要高，还要确保能够经过安全高效的电梯轻松抵达，即每个存储芯片内部的V-NAND能否以更快、更高效、更省电的方法持续上升？这就反常锻炼各家的手法。跟着NAND手工的进步，局限性也将浮出水面。