nand闪存单位 V-NAND到底是个啥？三星970EVO Plus强悍性能的背后

V-NAND到底是个啥？三星970EVO Plus强悍性能的背后

当我们在聊固态硬盘的时候，我们到底在聊些什么？经历了十数年的行业发展后，固态硬盘的技术规范和产品形态上逐步实现了统一，各家产品的差异已然上升到了内部架构和核心组件方面的技术代差上了。

简单剖析，固态硬盘产品的内核无外乎三大组件，用于调控整体存储功能和特殊机制的“大脑”即主控芯片，产品内部制作成本最高、担当存储重任的闪存颗粒，以及部分产品上用于产品支撑的缓存颗粒。

至于重要性而言，一举打破存储行业格局，让固态硬盘走入千家万户的存储介质，即闪存颗粒部分，可以说是区别固态硬盘好坏的最重要的内核组件。今天，笔者就以业界知名的三星970EVO Plus为实例，简单聊下关于闪存颗粒的技术和功能演变。

01 关于NAND闪存：单位电荷数Bit的变迁

NAND闪存，按照业界一般的理解，本质上是一种长寿命的非易失性(在断电情况下仍能保持所存储的数据信息)的存储器，其中非易失性的突出特点，使得这种基于通断电存储的介质能够长久的保存数据，最终使得NAND闪存颗粒走向了前台；其实，熟悉闪存的朋友，可能还听过另一个词，即Dram颗粒，即动态随机存取存储器，同样是基于通断电的特性，只不过DRAM芯片的每次存储数据的过程中需要对于存储信息不停的刷新，无法实现长久存储，因而错过了这次“C位出道”的时机。

三星原厂NAND闪存颗粒

NAND闪存工作的原理是通过单位NAND内部电荷数Bit的通电和放电，实现对数据的存储。基于无机械结构的电荷存储优势，NAND闪存技术能够提供包括高性能、稳定、耐摔耐磕碰、一体成型故障率低等多种特点，迅速成为了各家存储厂商研发的重点。

因而，为了进一步提升NAND闪存容量，满足用户对于大容量存储的需求，在以三星、东芝、Intel等领先的NAND原厂推进下，研发出了不同电荷数Bit的多种NAND颗粒，即为SLC(1bit）、MLC（2bit）、TLC(3bit)、QLC(4bit)以及处于实验阶段即将量产的PLC（5bit）等类型。

不同颗粒类型的bit数分布

可随着单位电荷数Bit的堆叠，带来了两个后果，一是单位电荷Bit的增加对于半导体工艺制程的要求越来越高，从50nm制程一路升级到14/15/16nm制程，半导体制程工艺越来越无法满足更多单位电荷数Bit的堆叠了；二是单位电荷数Bit的堆叠，会在狭小的NAND闪存内部产生大量的干扰电流，严重影响闪存产品的性能和寿命。

02 三星V-NAND技术：从平面到垂直的创新性探索

为了解决单位堆叠的带来的电荷干扰问题以及半导体工艺的瓶颈，三星创新性的提出了在原有制程的基础上将NAND闪存以3D堆叠的形式，封装在NAND闪存之中，一方面解决了在平面的狭小空间内多个电荷数排列产生的电子干扰问题，保证了产品的质量和性能；

全球首款V-NAND技术产品

更为重要的是，解决了工艺制程无法推进容量提升的瓶颈，用3D堆叠替代2D平面排列，让NAND闪存以垂直的形式进行排列，进而提升了总体的容量。

V-NAND和普通2D NAND

朴素的理解就是，此前的NAND闪存就像在单位面积的地基上盖平房，平房的容积是恒定的，要想提升入住人口，只能无下限的降低单位容积率，其后果就是制造工艺和电磁干扰；

而V-NAND技术诞生之后，2D的平房变成了3D垂直的楼房，理论上只要高度不限制，单位面积的地基上的可利用容积几乎等同于无限，即避免了制程工艺的瓶颈又解决了电磁干扰的问题。

01 V-NAND技术是三星970EVO Plus强劲性能的有力支撑

三星V-NAND技术从2013年引入市场，便引发了全行业的关注，从初代的32层（即在单位面积上的堆叠层数）到后续的64层，直到9X层，根据公开消息，三星V-NAND技术或将提升到200+层堆叠，最大限度的提升单位闪存的利用率。

而笔者手中这款三星970EVO Plus便是采用三星全新V-NAND技术研发的旗舰级产品，基于V-NANDND技术在容量和稳定性上巨大优势，搭配着三星自研的Phoenix主控，使得三星970EVO Plus的性能实现了超越。

根据官方提供的数据，三星970EVO Plus最大读取性能达到了3500MB/S，最大写入性能也达到了3300MB/S，几乎达到了消费级固态硬盘的巅峰水准。作为一款推出了数年的旗舰级固态硬盘，在即将踏入存储新纪元的当下，依旧没有任何一款同级别的PCIE3.0固态能够在性能上实现对970EVO Plus的绝对超越。

实测性能

这背后的原因，无外乎三星在V-NAND技术上的近十年的积累，以及在此基础上进行的主控配对和优化。

多说一句，随着PCIE4.0时代的来临，三星也将在新世代推出旗舰级980PRO固态硬盘，进而延续PCIE3.0时代的行业地位，可以预见的是，980PRO固态硬盘依旧会在V-NAND堆叠、主控性能方面实现大跨越的升级，至于三星970EVO Plus则还是会成为PCIE3.0世代下的王者存在。

闪存芯片：“层数”决定高度？

自铠侠的前身东芝存储在1987年发明NAND闪存以来，NAND闪存经历了从二维到三维的技术演进，三星作为3D NAND闪存的缔造者，至今仍占据着技术和产能双第一的宝座。但目前，以美光、西部数据、铠侠为代表的厂商纷纷在200+层3D NAND闪存领域发力，各厂商的竞争进入产能和层数等的多重较量，这是否会动摇三星的领先地位？

层数不是唯一评判标准

3DNAND闪存领域的技术进步速度极快，使得市场竞争异常激烈。而闪存企业的产品利润率水平又与其创新能力息息相关，因此各大厂商在新产品的研发上竞争不断加剧。2013年8月，三星推出了全球首款3DNAND闪存，当时的层数仅为24层，而经过9年的技术突破，目前可以量产的3D NAND最高层数已经达到了176层，但能够真正做到的企业只有三星和美光。今年2月初，三星发出公告称，将在2022年底或2023年上半年推出200层以上的3D NAND芯片，并在2023年上半年开始量产。预计三星第一款200层以上3D NAND芯片的层数将达到224层。就在大家以为三星将继续引领技术潮流，将3D NAND闪存带入200+层新时代的时候，美光却抢先一步在其投资日活动上公开表示，将于2022年底开始量产全球首款232层3DNAND芯片，搭载该芯片的SSD将在2023年发布。美光此举可以说是后发制人，而且这也不是美光第一次这么做了。早在2022年1月，美光就早于三星率先发布了业内首款176层3D NAND芯片。半导体行业专家池宪念向《中国电子报》记者指出：“美光此次技术突破，一方面可降低其生产成本，并使美光拥有最先进闪存芯片的定价权，从而为其增加更多的利润；另一方面，美光借此进一步提高了自己的技术门槛，拉开与其它厂商的差距，使其在存储芯片市场的竞争力和3D NAND 闪存市场份额得到进一步增加。”除了美光之外，日本存储领军企业铠侠与西部数据共同表示，将于2022年底量产162层3D NAND，2024年之前推出200层以上的3D NAND芯片；而我国存储芯片头部企业长江存储同样有消息称，长江存储已经开始向一些客户交付了其独立研发的192层3D NAND闪存的样品，预计将于2022年底前正式推出相应产品。本报记者联系了长江存储相关人员，但对方表示对该消息不予置评。可以看出，各大企业都在积极研发200+层NAND闪存，美光、铠侠、西数、长存在层数上都已具有了与三星掰手腕的实力，三星在技术上的绝对优势已经开始发生动摇。半导体行业专家杨俊刚向《中国电子报》记者表示，从目前的研发进度来看，三星和美光在多层数堆叠存储器方面的技术基础较为领先，三星或会为了追求技术的领先性，以及提前抢占市场份额，调整时间，争取更早在市场上推出200+层闪存产品。闪存的层数越多，单位空间存储密度就越大，总存储容量越容易提升，但值得注意的是，层数并不是决定闪存性能的唯一指标。创道投资咨询总经理步日欣在接受《中国电子报》记者采访时表示，3DNAND闪存堆叠技术在原理上基本类似，即通过堆叠的方式，实现在更小的空间和面积完成各大的存储容量。但是各个厂家都有各自的技术架构和演进路线图，并不完全一致，各家都有各家的技术工艺特色。在低层级的时候，3D堆叠确实能够显著提升闪存的性能，但是随着层数的增加，性能提升也会遭遇瓶颈，需要在技术、成本和性能之间寻找一个平衡。池宪念明确指出，层数的领先并不能代表美光在闪存技术上已经超过了三星。因为，对闪存产品的评价除了堆叠层数以外，还需要对接口速度、可靠性、随机读取性能、低能耗、增加每单元位数等方面的指标进行对比。此外还需要评价在生产过程中能否实现低成本、低损耗。在堆叠层数落后的情况下，三星可以通过提高产品的实际性能来提升自身的竞争力。

市场格局稳定中存变数

有数据显示，近几年，三星和铠侠始终占领NAND市场份额的第一、第二，西部数据、美光、海力士以及被收购前的英特尔NAND业务占据3-6名且名次常有轮换。可以看出，产能同样是NAND闪存企业比拼的重点。目前，各大企业都在积极扩产，希望提高产能和市占率。2020年9月，韩国芯片大厂SK海力士宣布斥资90亿美元收购英特尔的NAND闪存业务，并于2021年年底完成了交易，在交易事项中，就包括了位于中国大连的闪存芯片工厂。近日，SK海力士决定继续扩大投资并在大连工厂内建设一座新的晶圆工厂，将大连工厂打造成具有国际竞争力的NAND闪存生产基地，目前已正式开工。据悉，SK海力士加上英特尔的NAND闪存业务的市场总份额将达到全球第二，但相较于三星的市场份额依然存在较大差距。短期内，三星在NAND产业的地位仍然难以超越。而铠侠和西部数据这对已经合作20年的“亲密伙伴”也在近期宣布将共同投资位于日本四日市的Fab7（Y7）制造工厂的第一阶段工程，为该工厂建设第六座闪存生产设施，预计今年秋季启动生产。双方表示，将基于共同研发3D NAND及联合投资等方式，继续发挥协同效应、增强各自竞争力，扩大在存储领域的领先地位。据报道，西部数据CEO David Goeckeler曾在采访中表示，铠侠是西部数据重要的合作伙伴，两家企业加起来是全球最大的NAND供应商，市占率略高于三星。步日欣认为，单纯依赖各家略有差异化的技术路线，并不能形成非常强的竞争优势，闪存相对稳定的市场格局短时间内很难被打破。在市场格局层面，铠侠和西数单纯的业务合作，很难撼动三星的市场地位，即便是之前西部数据意图收购铠侠，资本层面的全面合并，也很难出现1+1>2的结果。而三星在NAND领域的产业链相对完善、技术也相对成熟，在NAND与其他企业合作的可能性不是很大。近期，有消息称，长江存储的规模已经突破10万片/月。芯谋研究高级分析师张彬磊指出，企业已经进入良性发展阶段，随着良率进一步提升、成本进一步降低，长江存储将逐渐进入全球闪存市场，与头部企业竞争。步日欣同样看好长江存储，但他也指出，闪存属于标准化产品，存在规模效应，而且全球已经形成稳固的市场格局，国内厂商要实现突围，不能单纯依赖价格、服务优势等市场化手段，更应该寻求国外厂商不具备的优势点，比如更加贴近用户，开辟蓝海市场，构建产品和技术成熟度，形成生态。尽管各大企业都在努力突围，增强各项能力，想要提升市场占有率，但在短时间内，他们所带来的冲击依旧有限，无论是技术还是产能，三星仍然是一道无法逾越的高墙，全球NAND闪存市场格局还将继续维持现状。

作者丨许子皓

编辑丨陈炳欣

美编丨马利亚

监制丨连晓东