發展至今，NAND Flash已呈現白熱化階段。就在前不久，存儲廠商們還在128層“閃存高臺上觀景”，2019年6月SK海力士發布128層TLC 3D NAND；美光于2019年10月流片出樣128層3D NAND；長江存儲于今年4月份宣布推出128層堆棧的3D NAND閃存。轉眼來到2020年末，美光和SK海力士相繼發布了176層3D NAND。這也是唯二進入176層的存儲廠商。不得不說，存儲之戰沒有最烈，只有更烈。
2013年，三星推出的帶有850 pro SSD的垂直3D NAND閃存打響了3D NAND技術堆疊的第一槍，多層變得很常見。層數越高，NAND閃存可具有的容量就越大，因此，增加層數以及提高產量是衡量技術實力的標準。垂直堆疊迅速成為半導體行業的標準，因為它有利于最大程度地減少彼此之間的干擾。此后，如美光和英特爾等廠商紛紛加入垂直堆疊的角逐中。如今，隨著使用微細加工工藝而增加的單元以及數據處理量的增長，對大容量NAND閃存的需求還在增加。
存儲廠商們各自努力，176層頂峰見真章
在全球NAND市場份額中，雖然美光排在第七位，但是在堆疊能力方面，美光卻毫不遜色。美光是第一家發布176層3D NAND的存儲廠商，其第五代3D NAND閃存是176層構造，這也是自美光與英特爾的存儲器合作解散以來推出的第二代產品。2020年11月9日，美光宣布將批量發售世界上第一個176層3D NAND。
據美光官網介紹，該176層NAND采用了獨特的技術，替換門架構將電荷陷阱與CMOS陣列下（CuA）設計相結合，與同類最佳競爭產品相比，其die尺寸減小了約30％。
Micron-CuA技術
與美光的大容量浮柵96層NAND相比，其讀寫時間縮短35％。與128層替換門NAND相比，美光公司176層NAND的讀取延遲和寫入延遲均提高了25％以上。在開放NAND閃存接口（ONFI）總線上，其最大數據傳輸速率為每秒1600兆傳輸（MT / s），據稱是行業領先的。兩者共同意味著系統啟動速度更快，存儲在NAND中的應用程序啟動速度更快。
美光的96L和128L NAND最高速度為1200 MT / s。與美光等效的96L產品相比，176L產品在移動存儲中的混合工作負載性能提高了15％。據報道指出，在使用電荷陷阱單元設計替代柵極設計之后，美光似乎已大大降低了閃存每一層的厚度。數據顯示，176L裸片的厚度僅為45μm，總厚度與美光公司的64L浮柵3D NAND相同。
再就是SK海力士，據Anandtech報道，SK hynix日前發布了其最新一代的3D NAND。這是SK hynix的第三代產品，其PUC（Periphery under Cell）設計的特點是通過在存儲器單元陣列下放置外圍邏輯來減小芯片尺寸，類似于英特爾和美光的CMOS下陣列設計。SK hynix將這種裸片布局及其charge trap閃存單元的組合稱為“ 4D NAND”。SK hynix命名為“ 4D NAND Flash”，主要是以突出通過在2018年將來自96層NAND Flash的CTF單元結構和PUC技術相結合而實現性能和生產率的差異。
這一代的變化包括位生產率提高了35％（僅比理論上從128層增長到176層時的值稍低），單元讀取速度提高20％。NAND die和SSD控制器之間的最大IO速度已從128L NAND的1.2GT / s增加到176L NAND的1.6GT / s。
SK hynix計劃首先將其176層 NAND用于移動產品（即UFS模塊），該產品將在明年中期左右推出，其讀取速度提高70％，寫入速度提高35％。然后，消費者和企業級固態硬盤將跟進移動產品。SK海力士還計劃基于其176層工藝推出1Tbit模具。
隨著六家制造商在全球范圍內為贏利而激烈競爭，NAND閃存部門正在整合。今年10月20日，SK海力士和英特爾簽署了一項協議，根據該協議，SK海力士將以90億美元的價格收購英特爾的NAND存儲器和存儲業務。該交易包括NAND SSD業務，NAND組件和晶圓業務以及中國大連NAND存儲器制造廠。若交易達成，SK海力士將超越日本Kioxia，成為NAND內存市場的全球第二大廠商，并進一步縮小與行業領頭羊三星之間的差距。SK 海力士以90億美元收購英特爾 NAND Flash 業務，其核心是拿下作為3D NAND 存儲器生產重鎮的大連晶圓廠。
面對SK海力士和美光在3D閃存堆疊上的成就，其他閃存廠商也是在快馬加鞭加緊研發的步伐。
三星電子作為全球NAND領導者，占有33.8％的市場份額，如果三星想在很長一段時間內保持這一頭把交椅，就必須始終走在前面。畢竟，存儲芯片業務是該公司免于遭受COVID-19打擊的2020年第一季度遭受巨額利潤下降的原因。根據韓國出版物The Bell的最新報告，該公司已經在下一代閃存芯片的開發方面取得了重大進展。
全球NAND Flash市場份額
三星電子計劃在2021年上半年大規模生產具有170層或更多層的第七代V-NAND閃存，并將使用字符串堆疊方法，結合兩個88L模具，新芯片還將采用“雙棧”技術。行業觀察家表示，由于三星電子改變了其堆疊方法，該產品的發布已被推遲。今年6月初，三星宣布將在其位于韓國京畿道平澤工廠2號線的工廠中建設新的NAND閃存芯片生產設施。三星表示，將在新地點大規模生產其“尖端V-NAND存儲器”芯片。
三星之后，就是鎧俠（Kioxia），東芝存儲器是從去年2019年10月1日起正式改名為“KIOXIA鎧俠”，值得一提的是，NAND閃存由東芝于1987年首次提出的。今年10月，鎧俠表示，該公司將在日本中部三重縣的四日市工廠內建立一個新的1萬億日元（95億美元）工廠，以提高其尖端NAND閃存的產量，因為該公司的目標是滿足5G增長推動的不斷增長的需求網絡。這項投資將與美國合作伙伴Western Digital進行。該工廠將從明年春季開始分兩個階段進行建設。這家占地40,000平方米的工廠將是Kioxia最大的工廠。
在2020年英特爾架構日期間，英特爾談到了他們的3D NAND技術。早在2019年9月于韓國首爾舉行的英特爾存儲日上，英特爾宣布他們將跳過業界大多數人正在開發的128層NAND閃存節點，并將直接跳到144層。英特爾表示，他們的144層QLC NAND閃存仍在按計劃進行。英特爾希望到2020年底，將其144層QLC NAND閃存用于銷售產品！144層QLC NAND的比特密度基本上比Intel目前生產的96層QLC NAND閃存高50％。因此，當144層QLC NAND閃存進入市場時，應允許SSD繼續侵蝕消費者的旋轉硬盤市場。
英特爾3D NAND路線圖2020
而西部數據于今年1月份宣布，它已經成功開發了其第五代3D NAND技術BiCS5，BiCS5設計使用112層，而BiCS4使用96層。BiCS5技術是與技術和制造合作伙伴鎧俠共同開發的。他們的第五代BiCS 3D NAND已以512 Gbit TLC部件的形式開始生產，但要到今年下半年才能增加到“有意義的商業量”。計劃用于這一代的其他部件包括1Tbit TLC和1.33 Tbit QLC die。
BiCS5采用了廣泛的新技術和制造創新技術，是西部數據迄今為止最高密度和最先進的3D NAND技術。第二代多層存儲孔技術，改進的工程工藝和其他3D NAND單元增強功能顯著提高了整個晶片上水平的單元陣列密度。這些“橫向擴展”的進步與112層垂直存儲功能相結合，使BiCS5與Western Digital的96層BiCS4技術相比，每個晶片的存儲容量提高了40％以上，同時優化了成本。新的設計增強功能還提高了性能，使BiCS5的I / O性能比BiCS4快50％。
國內長江存儲進步非凡
此前，長江存儲科技有限責任公司CEO楊士寧在“2020北京微電子國際研討會暨IC World學術會議”上也談到，集成電路由二維向三維發展是必行趨勢。這可能不是一條唯一的路徑，但確是一條需要強烈探索的路徑。
平地一聲雷，今年4月份長江存儲宣布推出128層堆棧的3D NAND閃存，國外同行發現，長江存儲跳級了，因為3D NAND是從32層、64層、96層逐漸移到128層，但是長江存儲并未推出過96層堆棧，這是怎么一回事呢？
長江存儲X2-6070 128L QLC 1.33Tb 3D NAND，來源：長江存儲
這就要追溯下長江存儲的歷史淵源，長江存儲前身是武漢新芯，2016年7月，紫光聯合大基金共同出資，在武漢新芯的基礎上，創立長江存儲，長江存儲將精力放在與中科院微電子所的合作研究上。2017年年底，長江存儲正式推出了國產首個真正意義上的32層 3D NAND閃存，中國終于有了自主知識產權的閃存芯片。
而國際閃存市場競爭激烈，此時長江存儲開始探索一條適合自己的3D NAND技術，這是一條充滿未知的道路，長江存儲堅持創新發展，走差異化的路線，于2018年7月正式推出自家的獨門絕技Xtacking?架構。
傳統3D NAND架構中，外圍電路約占芯片面積的20~30%，降低了芯片的存儲密度。隨著3D NAND技術堆疊到128層甚至更高，外圍電路可能會占到芯片整體面積的50%以上。Xtacking?技術將外圍電路置于存儲單元之上，從而實現比傳統3D NAND更高的存儲密度。
采用Xtacking?，可在一片晶圓上獨立加工負責數據I/O及記憶單元操作的外圍電路。這樣的加工方式有利于選擇合適的先進邏輯工藝，以讓NAND獲取更高的I/O接口速度及更多的操作功能。存儲單元同樣也將在另一片晶圓上被獨立加工。當兩片晶圓各自完工后，創新的Xtacking?技術只需一個處理步驟就可通過數十億根金屬VIA（Vertical Interconnect Accesses，垂直互聯通道）將二者鍵合接通電路，而且只增加了有限的成本。
長江存儲始終與國際水平差一代的距離，如果還跟著別人后面跑，任何市場上實現不了商業化就只有死路一條，所以長江存儲做出了一個瘋狂的舉措：決定直接跳過96層堆棧閃存的研發，直接向128層的堆棧上探索。2020年4月，長江存儲搶先推出了128層QLC 3D NAND閃存芯片X2-6070。目前長江存儲的技術已經處于全球一流的水準，下一步就是解決產能的問題。
楊士寧介紹，Xtacking主要具有四方面優勢：一是速度快，具有更好的性能表現；二是工藝更結實；三是成本低，因為密度高；四是具有更高的靈活性。與國際存儲大廠相比，長江存儲表示，公司用短短3年時間實現了從32層到64層再到128層的跨越。長江存儲3年完成了他們6年走過的路，楊士寧直言，長江存儲不做最后一名，爭取公司的下一代產品能夠達到行業最前沿。
3D NAND 技術堆疊將走向何方？
3D NAND技術正在迅速發展，許多分析師認為，廠商將繼續在3D NAND閃存中添加層，直到不再可行為止。2015年還只有32層存儲單元，僅僅四五年之后，我們看到了96層、128層、112層、144層、176層等結構的發布。到2022年，256層結構成為可能。
圖源：techinsights
Forward Insights總裁兼首席分析師Gregory Wong表示，NAND閃存的未來不可避免地圍繞著每個單元的位數。Wong說，在過去的一年中，QLC NAND的使用主要集中在PC上，但是這種情況將會改變。“今年，我們期望看到用于超大規模數據中心的QLC驅動器及其在企業存儲系統中的引入。” 事實也正是如此，越來越多的供應商開始談論QLC設備的生產或生產。
但是，Wong說，擴展位密度和降低閃存設備的成本變得越來越困難。“盡管如此，NAND閃存將存在很長一段時間，因為目前還沒有一種技術可以在比特密度和成本上競爭。
TechInsights，Inc.高級技術研究員Joengdong Choe在2020年閃存峰會上作了兩次演講，詳細介紹了3D NAND和其他新興存儲器的未來。
他講到，公眾傾向于將注意力集中在層數上，這可能會產生誤導，因為字線（帶有存儲單元的有源層）的實際數量會發生很大變化。例如，可以將其他層用作偽字線，以幫助緩解由較高層數引起的問題。效率的一項衡量標準是分層字線的總數除以總層數，通過這種衡量，三星擁有最佳設計之一。三星也沒有使用多個卡座或堆棧-不像其他制造商當前的閃存那樣使用”字符串堆棧“。一種提高總體效率的方法是將CMOS或控制電路（通常稱為外圍電路）放置在閃存層下面，例如CMOS陣列下（CuA），單元下外圍（PUC）或外圍單元（COP）。
Choe還概述了3D NAND架構的歷史以及電荷陷阱閃存（charge trap flash：CTF）和浮柵（Floating gate：FG）的分道揚鑣的過程。在過去，英特爾和美光使用浮柵，但美光在最近發布的176-D切換到替換門（ replacement gate：RG），而其他制造商還是使用電荷陷阱。盡管英特爾的QLC受益于使用浮柵，因為它可以保持更好的磨損性能，但此處的差異可能會影響閃存的耐用性，可靠性，可擴展性以及其他方面。
Choe預計，隨著平臺或堆棧數量的增加（目前最多為兩個），層數將繼續增加，每個閃存芯片的存儲量也會相應增加。Choe認為，這些技術與硅通孔（TSV），疊層封裝（PoP / PoPoP）以及向5LC / PLC的遷移等技術一樣，都指向下一個十年的500層以上和3 TB裸片的3D閃存。
結語
就像摩爾定律走到現在，技術難度和成本要求越來越苛刻，隨著3D NAND高樓越蓋越高，以后也是非同一般的高難度技術，即便如此，也要硬著頭干下去，直到干不動為止！可以預見，未來，NAND閃存制造商之間的競爭將會愈演愈烈。