2个角度解读3D闪存为什么要把自己堆起来

有朋友问存储极客，3D闪存是不是比较"高级"？为什么翻开几乎每个固态硬盘的宣传页，你都能看到关于3D闪存的介绍？今天存储极客就为大家解答这些问题。

东芝在2007年提出了3D闪存，并在后来将其命名为BiCS闪存。实际上关于3D闪存，三星也有自己的叫法：V-NAND，另外两家闪存原厂美光和Hynix则比较不讲究，没有为自己的3D闪存单独命名。

不同厂商3D闪存拥有自己的发展代系，比如三星目前发展到了第五代V-NAND，而东芝已经量产的是BiCS4：虽然4比5小，但二者皆为9X层3D堆叠技术，属于同代工艺。东芝的BiCS4甚至还要在具体堆叠层数（96层）上比三星（92层）更高一些，并且BiCS4的单die容量512Gb也比三星的256Gb高出一倍。

3D闪存降低每GB容量成本

如果从这项技术的出发点来看，它的出现一点也不高级：为了降低成本。半导体制造最直接的成本就是晶圆成本，目标是在同等大小的晶圆上制作出更多的芯片出来。

过去平面闪存通过制程微缩来达到这个目的，但后来人们发现平面闪存无法再缩小半间距了：电子数量同步缩减导致它无法稳定地存储数据。

既然半间距无法缩小，东芝设想出了将闪存单元改为立体堆叠结构，这样在同等晶圆面积上就能提供更高的存储容量，于是就有了BiCS 3D闪存。

到现在为止，3D闪存已经成为闪存中的主流形态。像TR200这样的入门级SATA固态硬盘也享受到了3D闪存带来的容量增长红利。观察TR200 480GB的京东价格历史你还会发现，现在相比一年前的价格足足降低了一半。

3D闪存让硬盘更紧凑

当前主流的64层3D闪存不仅在堆叠层数上增长，还通过改进蚀刻工艺将3D NAND器件中的字线"阶梯"部分的宽度缩小了45%，由此得到了更高的闪存阵列效率。

制造出的3D闪存芯片再通过叠die的方式，可将多个芯片集中封装为一个颗粒，再同等空间内实现更高的存储容量。

除了智能手机能之外，以东芝RC100为代表的单芯片迷你NVMe固态硬盘也从增长的存储密度当中受益，融合了主控和闪存的单个颗粒内就能提供高达480GB的存储空间。

总结来说，3D闪存的出现一方面降低了每GB容量价格，另一方面又给更高的存储容量带来了可能。正是这些优势使得3D闪存在固态硬盘中快速得到了普及。

3D闪存只讲堆叠层数不谈制程工艺的背后

在我们打开一个固态硬盘的产品信息页面时，总是能看到"采用3D NAND闪存"这样的介绍。大家是否想过，为什么3D结构会取代制程微缩成为闪存的发展方向？

15nm制程成为2D与3D闪存的分水岭，在15nm之后闪存不再像CPU那样继续向更先进的10nm、7nm制程迈进。是什么样的原因使得更先进的半导体制程与NAND闪存无缘？现在的3D闪存到底又是什么制程节点制造的？

TLC转折点

各种闪存新技术的出现，本质上都是为了降低每GB容量的成本。NAND闪存相比内存有一个优势，它在一个单元里可以存储多个比特(bit)的数据。这是制程微缩之外的另一种扩容量、降成本手段。当发展到TLC（3bit/cell）后，遇上麻烦了。

闪存单元的FG浮栅结构就像一个可以存储电子的桶，其中容纳的电子数量会影响到闪存单元的读取阈值电压Vth。在TLC中为了表达3比特数据已经需要用到8种不同的阈值电压，如果发展到QLC的4bit/cell结构，更需要区分出16种阈值电压，这就像蝇头小楷一样难以看清。

电子危机

制程微缩的过程进一步加剧了闪存危机，新制程的FG浮栅结构中能容纳的电子总数不断下降，发展到一个非常危险的水平。下图中的红线是过去BCH纠错技术下的可用界限，除非改变闪存结构，否则制程微缩将难以为继：制造出的闪存单元会因为能够容纳的电子数量太少而极其容易出错。

3D闪存架构提出

3D闪存就是攻城狮们找到的新结构出路。早在2007年，东芝就首次提出BiCS三维闪存结构，成功地解决了当代的发展难题。目前市场上在售的固态硬盘几乎全部使用了3D闪存。

3D闪存并不是简单地把闪存单元从平面堆叠成立体状态，而是涉及了基础的结构变化。下图为东芝BiCS三维闪存与传统平面闪存的结构对比。

最终结果使得闪存单元之间的间隙变大、读写干扰得到降低。同时，Charge Trap取代了传统的Floating Gate结构，有力地提升了闪存单元"抓住"电子的能力，降低了漏电速度。

3D闪存的制程信息

很多地方说3D闪存之所以更耐用，是因为使用了更老的制造工艺。这一点其实只适用于初代的3D NAND，40nm的制程使得初代的3D闪存非常昂贵，没有达到扩容量、降成本的初衷。

尽管闪存原厂都不再透露3D闪存的具体制程信息，TechInsights的分析报告还是给出了我们想要的答案：目前的64层堆叠、96层堆叠技术使用的都是19/20 nm制造工艺。

3D闪存的未来

现在3D闪存已经在固态硬盘当中大为普及，未来还会有4D闪存吗？其实4D概念去年就有闪存厂商提出，不过"4D"只是将闪存中的外围电路拿出来，置于存储单元阵列的下方，属于3D工艺的一个小改进。

目前的主流3D闪存拥有64层堆叠层数，东芝在去年率先宣布96层3D TLC。在即将到来的下个节点是96层堆叠与QLC的结合，东芝的96层BiCS4已实现1.33Tb/die的存储密度，如果以8die封装来计算，每个闪存颗粒就可以提供高达1.33TB的海量存储空间，手机和固态硬盘的容量即将迎来又一次爆发式增长。

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