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专栏 《深入理解NAND Flash》

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前言

存储芯片生态包含设计环节和制造封装环节还有品牌营销环节。设计环节是核心技术，包含闪存芯片、闪存主控芯片、缓存芯片。

本文从闪存芯片视角，介绍存储国产化的进展。后续文章会再从其他视角介绍。

本文内容聚焦于闪存存储，不设涉及其他存储介质，如光盘，磁盘。

本文主要是以固态硬盘和嵌入式存储为主。对SD卡片类或U盘因技术较成熟，其基本存储原理和固态硬盘相似，只是和主机交互不同，本文不再赘述。

闪存利用电容存储电子来表示0/1的数据，来存储二进制数据。

1 闪存介质

闪存介质分为NOR FALSH 和 NAND FALSH。
NOR FALSH 产品容量较小，适合应用于对存储数据量较小（小于16MB）的场景，比如穿戴设备和智能家电。

NAND FLASH 产品容量较大，适合应用于对存储数据量较大（大于16MB）的场景。主要用在手机、平板、电脑、服务器。

NOR FLASH 单字节成本比NAND flash 高，但因容量小，总的价格较低。16MB 是一个分水岭。

32MB NOR Flash 的价格甚至比128MB的NAND Flash还要贵。

通常读取NOR的速度比NAND稍快一些，而NAND的写入速度比NOR快很多。

2021全球闪存存储芯片中NAND约95%，NOR约5%。

NOR主要应用在代码存储，NAND适合于数据存储。

1.1 NOR 闪存国产技术发展

Intel于1988年开发出NOR Flash 技术，改变了原先由EPROM(电可编程序只读存储器)一统天下的局面。

NOR Flash 的特点是可以芯片内执行程序，这样应用程序可以直接在Flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。

华邦、赛普拉斯和美光等制程停留在45-46nm，给国产企业如兆易创新等带来国产化替代时间。

NOR FLASH 竞争对比情况。

全球主要NOR Flash芯片先进制程及量产时间。

1.2 NAND 闪存国产技术

1989年，东芝公司发表了NAND Flash 结构，强调降低每比特的成本。

2022上半年，三星处于领先地位，紧跟其后的是铠侠，后面分别是西数、美光、SK海力士。

长江存储突围成功，打破了国外巨头对 NAND FLASH 包围圈，并跻身先进技术行列。但良率有待进一步提升。

国行苹果 iPhone 14/Pro 系列均采用长江存储 NAND闪存

长江存储 128层QLC 3D NAND闪存芯片X2-6070研发成功，并已在多家控制器厂商SSD等终端存储产品上通过验证。

2 闪存国产厂商与产品

2.1 NOR FLASH 国产厂商与产品

全球主要NOR Flash厂商有华邦、旺宏、兆易创新、Cypress和美光，这五家基本占据撒网全球90% 的的市场份额，事实上国内还有不少NOR Flash厂商，比如武汉新芯、芯天下、普冉半导体、东芯半导体、芯泽电子等，这些厂商在产品和市场方面都各有特色。

竞争格局上看，根据CINNO Research，近年来美国厂商赛普拉斯、美光等逐步退出NOR Flash市场，中国大陆和中国台湾厂商逐步承接产能，占据主导地位。

中国大陆代表企业主要为兆易创新

2.2 NAND FALSH 国产厂商与产品

NAND Flash竞争格局上看，三星、铠侠引领，和西部数据、美光、SK海力士、英特尔六大原厂组成的稳定市场格局，六者合计占比超过95%。

中国大陆代表企业主要为长江存储。国产存储的崛起，更像是闪存这个巨大蓝海市场中的“孤勇者”。

图片来源：长江存储官网

在2017年10月，长江存储采用自主研发和国际合作的方式成功开发了中国第一款3D NAND闪存。2019年9月，他们开始批量生产第二代TLC 3D NAND闪存，该产品搭载了长江存储自主创新的Xtacking®架构。在2020年4月，长江存储宣布成功研发出第三代TLC/QLC两款产品，其中X2-6070型号是第三代QLC闪存中的首款产品，当时它在业界中具有最高的I/O速度、存储密度和单颗容量。

Xtacking 架构
长江存储X2-6070是业内128层QLC规格的3D NAND闪存，采用Xtacking技术。

晶栈®Xtacking®是长江存储的核心技术品牌，代表着长江存储在3D NAND存储技术领域的创新进取和卓越贡献。

图片来源： 长江存储官网

随着堆叠层数的增加，无论是在硅柱刻蚀功能的工艺难度，亦或是如何确保垂直堆叠从上而下的统一性、还是怎样解决因距离缩短增加了存储单元间的电容耦合的问题等等方面上都面临着越来越多的挑战。

QLC 闪存可以在同等的 die 面积上，多存储 1/3 的数据。

参考