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  NAND閃存芯片介紹

  NAND閃存芯片包括SLC NAND, MLC NAND, TLC NAND和QLC NAND。

  存儲(chǔ)器分類

  NAND閃存卡的主要分類以NAND閃存顆粒的技術(shù)為主，NAND閃存顆粒根據(jù)存儲(chǔ)原理分為SLC、MLC、TLC和QLC，從結(jié)構(gòu)上又可分為2D、3D兩大類。Flash技術(shù)主要分為SLC、MLC、TLC和QLC四大類，對(duì)應(yīng)不同的空間結(jié)構(gòu)，這四類技術(shù)可又分為2D結(jié)構(gòu)和3D結(jié)構(gòu)兩大類。2D結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)單元僅布置在芯片的XY平面中，為了提高存儲(chǔ)密度，制造商開發(fā)了3D NAND或V-NAND(垂直NAND)技術(shù)，該技術(shù)將Z平面中的存儲(chǔ)單元堆疊在同一晶圓上。3D NAND正與不同的NAND技術(shù)相結(jié)合(SLC、QLC)，未來更高堆疊層數(shù)的3D NAND是行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。

  SLC即為Single-Level Cell，即1 it per cell，1個(gè)存儲(chǔ)器儲(chǔ)存單元可存放1 bit的數(shù)據(jù)，只存在0和1兩個(gè)充電值。以此類推，QLC即Quadruple-Level Cell，即4 bit per cell，1個(gè)存儲(chǔ)器儲(chǔ)存單元可存放4 bit的數(shù)據(jù)。

從原理上看，QLC的每個(gè)單元可儲(chǔ)存4個(gè)數(shù)據(jù)，那就意味著與前三種閃存相比，QLC閃存可以在同等的面積上，存儲(chǔ)更多的數(shù)據(jù)。擁有成本更低、容量更大、高密更高等特點(diǎn)，適合于讀取密集型應(yīng)用。

  四種類型的NAND閃存顆粒性能各有不同。SLC單位容量的成本相對(duì)于其他類型NAND 閃存顆粒成本更高，但其數(shù)據(jù)保留時(shí)間更長(zhǎng)、讀取速度更快;QLC擁有更大的容量和更低的成本，但由于其可靠性低、壽命短等缺點(diǎn)，仍有待后續(xù)發(fā)展。目前主流的解決方案為MLC與TLC。

SLC(Single-Level Cell, SLC )NAND是原始的NAND架構(gòu)。其更高的耐用性(vs.MLC)使其非常適合各種消費(fèi)和工業(yè)應(yīng)用，其具有較長(zhǎng)的使用壽命。低密度SLC是指(<16-Gbit)SLC NAND閃存。

  行業(yè)技術(shù)壁壘

  合格的閃存產(chǎn)品不僅需要在體積、容量、讀寫速度等性能指標(biāo)滿足市場(chǎng)要求，對(duì)于通用型閃存而言，還需要能適用于市場(chǎng)上種類繁多的各種電子系統(tǒng)。這要求相應(yīng)的閃存設(shè)計(jì)公司具備從芯片、應(yīng)用電路到系統(tǒng)平臺(tái)等全方位的技術(shù)儲(chǔ)備，這些都要求設(shè)計(jì)公司有深厚的技術(shù)積累和行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)后進(jìn)者而言，這種積累和經(jīng)驗(yàn)構(gòu)成壁壘。

  對(duì)于閃存芯片設(shè)計(jì)企業(yè)而言，打通從晶圓廠、封裝廠、測(cè)試廠、整機(jī)制造商等上下游產(chǎn)業(yè)鏈，獲得整合能力，是其獲得發(fā)展的前提。在上游，業(yè)內(nèi)高端工藝的晶圓生產(chǎn)線較為稀缺，為確保產(chǎn)品質(zhì)量、控制成本和穩(wěn)定的產(chǎn)能供應(yīng)，閃存芯片設(shè)計(jì)企業(yè)需要與其主要的晶圓廠、封裝及測(cè)試廠商建立緊密的合作關(guān)系。

在下游，為確保產(chǎn)品能順利推向市場(chǎng)，需要已有客戶的支持，也需要不斷地拓展新客戶和新渠道，積累品牌知名度。對(duì)后進(jìn)者而言，市場(chǎng)先入者已建立的、穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)的產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈構(gòu)成其進(jìn)入壁壘。

  SLC NAND全球供應(yīng)商分析

  國(guó)際原廠引領(lǐng)3D NAND 技術(shù)發(fā)展。在 NAND Flash 市場(chǎng)中，三星、東芝存儲(chǔ)、鎂光、SK 海力士、西部數(shù)據(jù)、英特爾這六家原廠長(zhǎng)期壟斷著全球 99%以上的份額。此外，國(guó)際原 廠持續(xù)引領(lǐng)著 3D NAND 技術(shù)研發(fā)，形成了較為厚實(shí)的技術(shù)壁壘。但各原廠在設(shè)計(jì)方案上 的差別將會(huì)對(duì)其產(chǎn)出產(chǎn)生形成一定影響。

  根據(jù) 64 層 3D NAND 產(chǎn)品相關(guān)情況，在已量產(chǎn) 512GB 產(chǎn)品中三星、東芝存儲(chǔ)和鎂光在同等容量下，其單 Die 面積也有所不同，三家原 廠單 Die 尺寸大小分別為 128.5mm2、132mm2、和 110.5mm2。在相同情況下，基于單 Die 尺寸的優(yōu)勢(shì)，鎂光將獲得更大的產(chǎn)能。

  目前，無論是在已量產(chǎn)3D NAND 產(chǎn)品，還是相關(guān)技術(shù)儲(chǔ)備，國(guó)際原廠引領(lǐng) 3D NAND 技術(shù)發(fā)展。在產(chǎn)品方面，雖然部分領(lǐng)先廠商已經(jīng)量產(chǎn) 128 層產(chǎn)品，但 96 層產(chǎn)品在 2020 年依然是主流產(chǎn)品。

  2020年11月12日，美光批量出貨全球首款176層3D NAND閃存芯片，一舉刷新行業(yè)紀(jì)錄，實(shí)現(xiàn)閃存產(chǎn)品密度和性能上的重大提升。美光全新的 176 層工藝與先進(jìn)架構(gòu)共同促成了此項(xiàng)重大突破，使數(shù)據(jù)中心、智能邊緣平臺(tái)和移動(dòng)設(shè)備等一系列存儲(chǔ)應(yīng)用得以受益，實(shí)現(xiàn)性能上的巨大提升。

  該款176 層 NAND 產(chǎn)品采用美光第五代 3D NAND 技術(shù)和第二代替換柵極架構(gòu)，是市場(chǎng)上最先進(jìn)的 NAND技術(shù)節(jié)點(diǎn)。與美光的上一代大容量 3D NAND 產(chǎn)品相比，176 層 NAND 將數(shù)據(jù)讀取和寫入延遲縮短了35%以上，極大地提高了應(yīng)用的性能。美光的 176 層 NAND 采用緊湊型設(shè)計(jì)，裸片尺寸比市場(chǎng)最接近同類產(chǎn)品縮小近 30%，是滿足小尺寸應(yīng)用需求的理想解決方案。