隨著游戲產(chǎn)業(yè)和數(shù)據(jù)中心的蓬勃發(fā)展，全球 NAND 市場正呈擴張之勢。而由于新冠疫情的爆發(fā)，人們更多選擇遠程辦公和在線課程，對數(shù)據(jù)中心和云服務器的需求隨之增長，市場對 NAND 存儲器的需求也大幅增加。從移動或便攜式固態(tài)硬盤到數(shù)據(jù)中心，從企業(yè)固態(tài)硬盤再到汽車配件， NAND 閃存的應用領域和使用場景愈發(fā)多樣化，各種要求也隨之出現(xiàn)，常見的譬如更高的讀寫速度、最大化的存儲容量、更低的功耗和更低的成本等等。為了滿足這些要求，數(shù)據(jù)的存儲方式和堆疊方法也在不停發(fā)展演變。

NAND 閃存是一種通過在氮化硅的內(nèi)部補集點捕獲電子或空穴來存儲信息的設備。在這種設備中，工作區(qū)和柵極間會留有通道供電流通過硅晶片表面，而根據(jù)浮置柵極中存儲的電荷類型，便可進行存儲編程 (“1”) 和擦除 (“0”) 信息的操作。同時，在一個單元內(nèi)存儲 1 個比特的操作被稱為單層單元 (SLC)。氮化硅內(nèi)部捕獲的電子數(shù)量與單元晶體管的閾值電壓成正比，因此，當俘獲大量電子時，即實現(xiàn)了高閾值電壓；捕獲少量電子會造成低閾值電壓。

通過將捕獲的電子數(shù)量分成三份，并將每份的中間電壓施加到單元柵極上，可以檢查電流的流通狀態(tài)，從而確定所捕獲的電子數(shù)量。在這種情況下，存在四種狀態(tài)，其中包括擦除狀態(tài)：這就是 2 比特多層單元 (2 bit-MLC)。2 比特多層單元的這四種狀態(tài)可以描述為“11”、“10”、“01”和“00”，每個單元可以存儲 2 個比特的信息。從定義而言，多層單元指的是一種狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，一個單元具有多層的 2 個比特或更多比特；然而在本文中，多層單元是相對于單層單元（SLC，Single Level Cell）而言的。方便起見，本文將存儲 2 個比特信息的多層單元（MLC，Multi Level Cell）稱為 2 比特多層單元。

在相同的方法下，若產(chǎn)生八單元狀態(tài)并存儲 3 個比特的信息時，此類狀態(tài)則被稱為三層單元 (TLC，Triple Level Cell)；同樣，當產(chǎn)生十六單元狀態(tài)并存儲 4 個比特的信息時，則稱為四層單元 (QLC, Quadruple Level Cell)。單元狀態(tài)越密集，一個單元內(nèi)便可儲存更多信息。舉例來說，與單層單元(SLC) NAND 閃存相比，四層單元(QLC) NAND 閃存能夠以 67.5% 的芯片尺寸存儲相同數(shù)量的信息；但若想進行更多運行和讀取的操作，就要增大單元狀態(tài)的密度。相應地，由于單元狀態(tài)之間的空間狹窄，更大的密度會使性能降級并出現(xiàn)讀取錯誤的可能性，從而導致設備壽命縮短。因此，重要的是，首先要根據(jù)NAND閃存的應用領域決定是否優(yōu)先考慮信息量，性能和壽命，然后選擇適當?shù)木幊谭椒ā?/span>

當前，NAND 閃存正在從 2D 發(fā)展到 3D 和 4D。對于 2D-NAND，如果在同一區(qū)域?qū)崿F(xiàn)更多的單元數(shù)量，形成更小的工作區(qū)和柵級，便能增大存儲容量。直至 2010 年初，2D-NAND 中的擴展一直是這項技術的主要焦點所在；然而，由于精細圖案結(jié)構(gòu)的限制，且儲存數(shù)據(jù)會隨時間推移而丟失導致使用壽命縮短，該技術已無法再實現(xiàn)擴展。因此，3D-NAND逐漸取而代之，成為業(yè)界關注焦點，現(xiàn)在所有 NAND 制造商都在開發(fā)和制造 3D-NAND 產(chǎn)品。

在 3D-NAND 的結(jié)構(gòu)中，存儲容量會隨著三維疊層中堆疊層數(shù)的增加而變大。3D-NAND 使用了堆疊多層氮氧化物的方法，形成一個被稱為“塞子”的垂直深孔，在其中形成一個由氧化物-氮化物-氧化物制成的存儲設備。通過這種方法，僅需少量工藝即可同時形成大量單元。在 3D-NAND 中，電流通過位于圓柱單元中心的多晶硅通道，便能根據(jù)存儲在氮化硅中的電荷類型實現(xiàn)存儲編程和擦除信息。雖然2D-NAND 技術發(fā)展的目標是實現(xiàn)形成較小的單元， 3D-NAND 的核心技術卻是實現(xiàn)更多層數(shù)的三維堆疊。

為在 3D-NAND 的基礎上進一步增大存儲容量，4D-NAND技術也隨之而來。經(jīng)過幾代技術的發(fā)展，當前的半導體行業(yè)已實現(xiàn)了用更多層數(shù)存儲更多信息，目前最高層為238層，存儲企業(yè)也正在研發(fā)更多層的產(chǎn)品。

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