3D NAND閃存高密度技術(shù)正變得越來(lái)越激進(jìn)。3D NAND閃存密度和容量的提高主要通過(guò)增加垂直方向上堆疊的存儲(chǔ)器單元的數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)這種三維堆疊技術(shù)和多值存儲(chǔ)技術(shù)（用于在一個(gè)存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)多個(gè)比特位的技術(shù)），實(shí)現(xiàn)了具有極大存儲(chǔ)容量的硅芯片。

目前，最先進(jìn)的3D NAND閃存可在單個(gè)硅片上容納高達(dá)1Tbit或1.33Tbit的數(shù)據(jù)。

譬如，英特爾（Intel）和美光科技（Micron）的開(kāi)發(fā)聯(lián)盟和三星電子各自將制造技術(shù)與64層堆棧和QLC（四層單元）技術(shù)相結(jié)合，該技術(shù)將4位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)存儲(chǔ)單元中。因此，實(shí)現(xiàn)了1Tbit存儲(chǔ)容量。

東芝存儲(chǔ)和西部數(shù)據(jù)公司（Western Digital）通過(guò)將QLC技術(shù)與制造技術(shù)相結(jié)合，堆疊了96層，開(kāi)發(fā)出具有1.33 Tbit的高容量硅芯片。1.33 Tbit是目前世界上最大的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器存儲(chǔ)容量。

還開(kāi)發(fā)了128層堆疊的3D NAND閃存。2019年6月，SK海力士將128層制造技術(shù)與TLC（三層單元）技術(shù)相結(jié)合，將3位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)存儲(chǔ)單元中，從而實(shí)現(xiàn)每個(gè)硅片的3D存儲(chǔ)容量。采用TLC堆疊方式使得3D閃存具有更高的存儲(chǔ)容量。

在過(guò)去的20年中，內(nèi)存容量增加了1,000倍

回顧過(guò)去，傳統(tǒng)的2D NAND閃存主要通過(guò)小型化將其存儲(chǔ)容量擴(kuò)展到128Gbit。MLC技術(shù)和TLC技術(shù)用于多級(jí)存儲(chǔ)。

3D NAND閃存技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用始于128Gbit，256Gbit或更高的存儲(chǔ)容量成為3D NAND技術(shù)的主導(dǎo)地位。多級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)已通過(guò)TLC技術(shù)和QLC技術(shù)投入實(shí)際應(yīng)用。

自2001年以來(lái)，NAND閃存的存儲(chǔ)密度（每硅片存儲(chǔ)容量）一直以每年1.41倍的速度增長(zhǎng)。這相當(dāng)于三年內(nèi)存儲(chǔ)容量增加了四倍。令人驚訝的是，這種高速度持續(xù)了19年。

然而，現(xiàn)在人們都在關(guān)注3D NAND閃存的未來(lái)，半導(dǎo)體存儲(chǔ)研發(fā)界已經(jīng)聽(tīng)說(shuō)過(guò)。主要有兩個(gè)問(wèn)題。

一個(gè)是堆疊層數(shù)量的增加來(lái)提高容量，這種方式將在不久的未來(lái)減緩或達(dá)到極限。另一個(gè)是多級(jí)存儲(chǔ)技術(shù)將通過(guò)QLC方法達(dá)到極限，并且每個(gè)存儲(chǔ)器單元的位數(shù)不能增加。

三星正式提到超過(guò)300個(gè)3D NAND閃存

然而，8月6日，主要的NAND供應(yīng)商宣布了一系列路線圖和技術(shù)來(lái)克服這些問(wèn)題。

存儲(chǔ)制造商三星電子于6月6日宣布，它將開(kāi)始批量生產(chǎn)配備256Gbit 3D NAND閃存的SSD，在單個(gè)堆棧中有136層內(nèi)存通孔。136層內(nèi)存通孔是有史以來(lái)最大的層數(shù)。除了源極線和偽字線之外，存儲(chǔ)器單元串中的字線層的數(shù)量似乎是110到120。

值得一提的是，通過(guò)堆疊三個(gè)136層的單個(gè)堆疊，可以堆疊超過(guò)300個(gè)存儲(chǔ)器單元。三星表達(dá)如此樂(lè)觀的看法是很不尋常的。

300層的開(kāi)發(fā)日期尚未公布，但研究已經(jīng)開(kāi)始。

堆疊字線數(shù)量的路線圖

東芝內(nèi)存已經(jīng)提到了過(guò)去通過(guò)存儲(chǔ)器通孔技術(shù)堆疊字線數(shù)量的可能性。2017年5月，IMW表示可以用200層實(shí)現(xiàn)2Tbit/die。截至2017年5月，3D NAND閃存技術(shù)字線堆棧的最大數(shù)量為64。

然而，在2018年8月，閃存行業(yè)盛會(huì)“閃存峰會(huì)（FMS）”中，SK海力士表示200層級(jí)是一個(gè)傳遞點(diǎn)，最終可以實(shí)現(xiàn)500層級(jí)。

2019年8月6日，SK海力士在FMS國(guó)際閃存會(huì)議上公布了其閃存路線圖，預(yù)計(jì)2020年推出176層的閃存，2025年500層，2030年800+層。800層原則上是可以實(shí)現(xiàn)8Tbit/die的層數(shù)。單個(gè)裸片就是1TB。

圖1：SK海力士NAND產(chǎn)品發(fā)展路線圖

多級(jí)存儲(chǔ)器最終達(dá)到5bit/cell

在當(dāng)天的FMS會(huì)上，讓人驚訝的是，東芝存儲(chǔ)也宣布了兩項(xiàng)基本技術(shù)來(lái)提高3D NAND閃存的存儲(chǔ)密度。

圖2：通過(guò)東芝存儲(chǔ)的QLC（4位/單元）技術(shù)分配閾值電壓。

一種是多值存儲(chǔ)技術(shù)。該公司宣布將開(kāi)發(fā)“PLC技術(shù)”，將5位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)存儲(chǔ)單元中。這聽(tīng)起來(lái)是一個(gè)令在場(chǎng)聽(tīng)眾超級(jí)震驚的消息。

圖3：東芝存儲(chǔ)公司推出的PLC（5位/單元）技術(shù)的閾值電壓分布。

傳統(tǒng)的多級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)通常是QLC（四級(jí)單元）技術(shù)，其將4位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)存儲(chǔ)器單元中。在QLC技術(shù)中，在一個(gè)存儲(chǔ)器單元中寫(xiě)入15級(jí)的閾值電壓。相鄰閾值電壓之間的差異很小并且調(diào)整非常困難。因此，QLC技術(shù)被認(rèn)為是多級(jí)存儲(chǔ)的限制。

然而，東芝存儲(chǔ)已經(jīng)打破了這種信念。他們已經(jīng)展示了當(dāng)在一個(gè)存儲(chǔ)器單元中寫(xiě)入31個(gè)閾值電壓時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。東芝聯(lián)合開(kāi)發(fā)合作伙伴Western Digital也展示了一個(gè)包含5位/單元的多級(jí)內(nèi)存。順便說(shuō)一句，將QLC更改為PLC會(huì)使內(nèi)存密度增加25％。

圖4：Western Digital的多級(jí)存儲(chǔ)方法解釋幻燈片。

雙倍內(nèi)存密度的終極方法

另一種技術(shù)是通過(guò)將存儲(chǔ)器單元的字線分成兩半來(lái)將每個(gè)存儲(chǔ)器通孔的存儲(chǔ)器單元數(shù)量加倍。盡管很難制造，但存在原則上存儲(chǔ)密度加倍的優(yōu)勢(shì)。

東芝存儲(chǔ)展示了電荷陷阱（CT）單元和浮柵（FG）單元的橫截面觀察圖像，其中字線被分成兩半。

圖5：通過(guò)將存儲(chǔ)器單元字線分成兩半來(lái)將存儲(chǔ)器密度加倍。左邊是概念。右邊是原型單元結(jié)構(gòu)和橫截面觀察圖像。

3D NAND閃存主要供應(yīng)商開(kāi)發(fā)的意愿似乎根本沒(méi)有削弱。毫無(wú)疑問(wèn)，超高層，多值存儲(chǔ)和存儲(chǔ)器單元?jiǎng)澐质菢O其困難的技術(shù)。不過(guò)，可以說(shuō)這個(gè)行業(yè)別無(wú)選擇，只能去做。