长江存储128层TLC闪存拆解：存储密度高达848Gbmm²，远超三星等

去年4月，国产存储芯片厂商长江存储（YMTC）宣布其128层3D NAND 闪存研发成功。包括拥有业界最高单位面积存储密度，最高I/O传输速度和最高单颗NAND 闪存芯片容量的1.33Tb 128层QLC 3D NAND闪存，以及512Gb 128层TLC闪存。

近日，国外权威研究机构Tech Insights对长江存储的128层TLC 3D闪存进行了芯片级的拆解，发现其存储密度达到了目前业界最高的8.48 Gb/mm²，远高于三星、美光、SK海力士等一线NAND芯片大厂。

据介绍，Tech Insights拆解的是Asgard（阿斯加特）的PCIe4.0 NVMe1.4 AN4 1TB SSD，其内部采用的正是长江存储的128层TLC 3D NAND 闪存芯片，这也意味着长江存储128层TLC 3D NAND 闪存芯片已量产。该SSD硬盘的PCB上总共四颗256GB NAND闪存，单个封装内是4颗芯片，也就是说单颗芯片容量为512Gb。该NAND闪存的型号为YMN09TC1B1HC6C（日期代码：2021 9W）。

△长江存储512 Gb 128层3D TLC NAND 芯片的外观，型号为YMN09TC1B1HC6C

根据长江存储此前公布的数据显示，在传统3D NAND架构中，外围电路约占芯片面积的20~30%，这也使得芯片的存储密度大幅降低。而随着3D NAND技术堆叠到128层甚至更高，外围电路所占据的芯片面积或将达到50%以上。而Xtacking技术则是将外围电路置于存储单元之上，从而实现比传统3D NAND更高的存储密度。

所以，长江存储512Gb 128层Xtacking 2.0 TLC芯片同样也是采用了两个晶圆来集成3D NAND，因此拆解后可以找到两个die，一个用于NAND阵列的die，另一个用于CMOS外围电路的die。

△长江存储512 Gb 128层Xtacking 2.0 3D TLC NAND die标记 （ CDT1B）

△长江存储512 Gb 128层Xtacking 2.0 3D TLC NAND芯片COMS外围的die标记（CDT1A 或 CDT1B）

作为对比，上一代的64层 Xtacking 1.0架构的TLC NAND die标记为（Y01-08 BCT1B） 和 CMOS外围电路die 标记为（Y01A08 BCT1B）。

根据Tech Insights的实测，长江存储512Gb 128层Xtacking 2.0 TLC的die尺寸为60.42mm²，这也意味着其单位密度增加到了8.48 Gb/mm2， 比 256Gb 64层的Xtacking 1.0 die 高出了92% 。读取速度达到了7500 MB/s，写入速度也高达5500 MB/s。

△长江存储512Gb 128层Xtacking 2.0 TLC NAND的die平面图

CMOS外围电路die则集成了页缓冲器、列解码器、电荷泵、全局数据通路和电压发生器/选择器。

△长江存储512Gb 128层Xtacking 2.0 TLC NAND芯片的CMOS外围电路die平面图

Tech Insights称，长江存储128层Xtacking 2.0单元体系结构由两个通过层接口缓冲层连接的层组成，这与KIOXIA 112L BiCS 3D NAND结构的过程相同。单元大小、CSL间距和9孔VC布局与以前的64L Xtacking 1.0单元保持相同的设计和尺寸（水平/垂直方向间距）。门的总数为141（141T），包括用于TLC操作的选择器等。

△垂直方向的长江存储3D NAND单元结构，以及注释为32L（T-CAT带39T）、64L（Xtacking 1.0带73T）和128L（Xtacking 2.0带141T）的门的总数。

Tech Insights表示，长江存储128层Xtacking 2.0上层有72个钨闸门，下层有69个闸门。包括BEOL Al、NAND die和外围逻辑管芯在内的金属层总数为10，这意味着与64L Xtacking 1.0工艺集成相比，外围逻辑管芯中增加了两个铜金属层。通道VC孔高度增加一倍，为8.49µm。

△长江存储三代3D NAND的比较：Gen1（32L）、Gen2（64L，Xtacking 1.0）和Gen3（128L，Xtacking 2.0）。

与三星 （V-NAND）、美光 （CTF CuA） 和 SK海力士（4D PUC） 的现有128层512 Gb 3D TLC NAND 芯片的die尺寸相比，长江存储512Gb 128层Xtacking 2.0 TLC NAND芯片的die尺寸更小，单位密度最高。

长江存储128层TLC NAND die平面布置图和两层阵列结构与美光和SK海力士相同，但长江存储的每个字符串的选择器和虚拟WL数为13，小于美光和SK 海力士（两者均为147T）。由于长江存储所采用的Xtacking混合键合方法，使得其使用的金属层数量远高于其他产品。

△128层512 Gb 3D TLC NAND产品的比较，包括刚刚发布的YMTC 128L Xtacking 2.0 3D NAND。

从上面的对比数据来看，长江存储512Gb 128层Xtacking 2.0 TLC NAND芯片的单位存储密度达到了8.48b/mm²，远高于三星的6.91Gb/mm²、美光的7.76Gb/mm2、SK海力士的8.13Gb/mm²，达到了目前业界最高单位存储密度。

目前长江存储Xtacking 2.0架构的512Gb 128层TLC NAND芯片已量产。虽然三星、SK海力士、美光等厂商也在致力于开发176层3D NAND闪存芯片，但是他们目前最先进的量产产品还是128层。

作为一家成立仅数年的国产NAND Flash闪存芯片厂商，长江存储在国外巨头已领跑数十年的存储技术领域，能够在如此短的时间内追赶上来，并且取得技术上的领先，实属不易。

编辑：芯智讯-浪客剑 资料来源：Tech Insights

NAND闪存这些年：QLC也没那么脆弱

NAND Flash是目前最常见的存储芯片，当其存储密度不断提升的同时，成本也会变得越来越敏感，因为Flash闪存的成本取决于其芯片面积，所以如果可以在同一区域存储更多数据，Flash将更具成本效益。

我们都知道固态硬盘采用闪存颗粒NAND Flash作为存储介质，所以它是固态硬盘中最重要的构成部分，其好坏也就决定着固态硬盘质量的好坏，而我们目前常见的NAND闪存主要有四种类型：Single Level Cell（SLC），Multi Level Cell（MLC）和Triple Level Cell（TLC），还有一种尚未大规模普及的QLC。

860 QVO

现在我们来认识下SLC、MLC、TLC、QLC

不难理解，MLC Flash是可以在与SLC相同的区域中存储更多的数据，同上，TLC则是在相同的区域内能比MLC存储更多的数据，而QLC则是比TLC能存储更多的数据。

区别

在SLC闪存中，每个存储单元仅存储一位信息，这使得读取单元格更快捷，因为磨损的影响小这也增加了单元的耐久性，进而增加了寿命，但其单元成本较高；MLC闪存每个存储器单元存储两位信息，读取速度和寿命都低于SLC，但价格也便宜2到4倍；MLC闪存的低可靠性和耐用性使它们不适合企业应用，创建了一种优化级别的MLC闪存，具有更高的可靠性和耐用性，称为eMLC；TLC Flash每个存储器单元存储3位信息，优势在于成本与SLC或MLC闪存相比要低得多，较适合于消费类应用，而到QLC Flash则是每个存储器单元能够存储4位信息以存储更多的信息，寿命也会相应低于TLC。

3D NAND助力QLC普及

说到这里就不得不提3D NAND，它的原理就是通过在同一晶片上垂直堆叠多层存储器单元，所以能够实现更大的存储密度。

第一批3D Flash产品有24层。随着该技术的进步，已经制造出32,48,64甚至96层3D闪存。3D闪存的优势在于同一区域中的存储单元数量明显更多。这也使制造商能够使用更大的制程工艺节点来制造更可靠的闪存。

3D NAND

一般来说，厂家为了更大的存储容量会使用更先进的制程工艺提升单位面积的存储容量，但由于闪存独特的电子特性，制程工艺越先进，寿命也就会越短，所以TLC在发展过程中会遇到寿命问题，但由于3D NAND是利用了垂直空间，提升容量。所以厂商没有必要使用更先进的制程工艺，转而使用更为老旧的制程工艺保证TLC的寿命，然后通过3D NAND增加容量。

在主要的NAND厂商中，三星是最早量产了3D NAND，其他几家公司在3D NAND闪存量产上要落后三星至少2年时间，在3D NAND路线上，三星也研究过多种方案，最终量产的是VG垂直栅极结构的V-NAND闪存，目前已经发展了五代V-NAND技术，堆栈层数从之前的64层提高到了90层以上，TLC类型的3D NAND核心容量更大，目前最新的技术在自家的860及970系列SSD上都有使用。

860 QVO

QLC能够迅速落地，有如此成就离不开3D NAND技术的发展，正是如此，借助3D NAND技术，QLC才能够实现1000PE的寿命，目前能够推出QLC的厂商，也都是通过3D NAND实现的。大家对QLC的最大焦虑就是寿命，真正了解QLC以后，自然会消除焦虑，目前已经有多家厂商对外表示自家3D QLC闪存的可擦写寿命为1000PE。

三星第五代V- NAND技术已经足够成熟，再配合以QLC闪存这也就使得固态硬盘在容量上轻松步入TB时代，三星作为全球领先的闪存厂商，去年首发采用QLC闪存的SATA SSD,860QVO就已经能够实现单颗1TB的闪存颗粒，目前发售的版本最高甚至可以达到4TB，这也意味着SSD进入TB级时代。

QLC+3D NAND带来更多可能

NAND闪存已经进入3D NAND时代了，在2D NAND闪存时代，厂商为了追求NAND容量的提升，需要不断提升NAND制程工艺，但在3D NAND时代，提升NAND容量靠的不是微缩制程工艺了，而是靠堆栈的层数，所以工艺变得不重要了，比如三星最初的3D NAND闪存使用的还是40nm工艺，可靠性要比20nm、10nm级工艺高得多。

由于TLC问世于2D NAND闪存时代，所以遭遇了诸多寿命、性能上的考验，最初发布的TLC闪存P/E寿命只有100-150次，但是随着NAND技术的进步、纠错技术的改良，P/E寿命不断提升，从TLC闪存的进阶之路我们便不难看出这个道理，所以这个发展之路对于QLC闪存同样适用。

任何新技术的普及都不是一帆风顺的，所以大家对QLC闪存的寿命担心也很正常，从内部结构来看，确实QLC闪存的寿命要低于TLC，但现在3D NAND时代的QLC闪存在可靠性上跟2D NAND时代的TLC、QLC完全不同，P/E寿命不是问题，目前主流的QLC闪存P/E已经能够达到将近1000，并不比TLC闪存差多少。

连续读写

三星作为全球主要的闪存厂商，新技术一直领先于市场，我们目前已经能够看到消费级的QLC闪存硬盘860QVO，而且三星为其提供了3年时间的质保或者1440TBW的总写入，且连续读写测试能达到跟TLC同级的水平，大约写入100GB时速度下降为100MB/s，但这依旧要远远高于机械硬盘的速度。

QLC闪存现在能够问世从根本上来说是市场需要，我们都知道内存的速度要比SSD快，但是SSD又要比机械盘快，性能虽然逐渐降低，但是换来的是更大的容量，所以随着技术发展势必会有TB级起步的超大容量SSD来取代机械硬盘的位置，而历史将这个任务交给了QLC闪存。

QLC闪存时代已经来临

由于内部架构原因，QLC闪存读写速度要低于TLC闪存，但是要远远高于机械硬盘，并且拥有同等TB级的容量，随着5G逐渐进入商用，我们个人的存储需求势必进一步加大，有不少科研机构预计了我们未来的硬盘使用场景，未来更可能是以500GB左右的TLC或者MLC闪存盘来做系统主盘，用2T或者更大的QLC闪存盘当做仓库盘这样便能完美的发挥各自优点，避开不足。

可以说QLC闪存的时代已经来了，三星QLC闪存已经开始出货，我们在电商平台已经可以看见三星的860QVO在出售，最高容量可以支持4TB，很明显QLC闪存最大的优势是能够实现更大的容量，无论是消费级还是企业级，而这靠TLC是无法实现的。

与机械盘相比，无论是连续读写、随机读写亦或是功耗和噪音它都是完全胜出，所以取代机械硬盘应该只是时间问题了。

完

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