在存储领域，闪存（Flash Memory）凭借高性能、低功耗、高可靠、小体积等诸多优势，已经成为高性能智算中心的主流存储产品。为了提高闪存颗粒的数据存储密度，3D NAND技术应运而生，并成为闪存颗粒未来的主要技术。
今日，SK海力士官方公布正式开始量产全球首款321层1TB TLC 4D NAND闪存的消息引起了我们的关注。那么，何为3D NAND技术？各闪存颗粒厂商在3D NAND技术上有哪些最新的突破？未来3D NAND技术有哪些重要的发展趋势？本文将一一进行解读。
一、3D NAND技术概述
NAND闪存技术起源于20世纪80年代，最初的NAND闪存主要采用2D NAND技术，与CPU/GPU相同，通过不断地提升制程工艺来提高存储的密度。目前，NAND在制程工艺方面，已经从早期的几十纳米制程逐步缩小到如今的个位数纳米制程。
随着2D NAND闪存制程工艺技术的不断缩小，逐渐逼近物理极限。虽然制程工艺技术的缩小带来了存储单元密度的提升和单位存储成本的降低，但也带来了电荷泄漏、制造工艺复杂度增加等问题。为了解决这一问题，业界开始探索3D NAND技术，通过在垂直方向上构建存储单元，打破了平面布局的限制。
2007年， 东芝在日本东京举办的超大规模集成电路研讨会（VLSI）上提出了3D NAND技术的概念，并将其命名为BiCS（bit cost scalable），旨在降低单位bit成本。2013年，三星率先量产了3D NAND产品，命名为V-NAND，成为全球首款量产的3D NAND闪存。
从这一年开始，3D NAND技术经历了从24层到32层、再到更高层数的快速发展过程。三星、长江存储、美光、SK海力士等各大厂商纷纷投入研发，不断推出更高堆叠层数、更高性能的3D NAND产品。通过技术创新和优化，3D NAND技术在提高存储密度、读写速度、功耗降低等方面取得了显著进展。
实际上，SK海力士发布的4D NAND技术本质上也是另一种形式的3D NAND闪存，是SK海力士特有的术语，是在3D NAND技术的基础上，将外围电路置于NAND阵列之下，通过垂直集成进一步提高存储密度并降低成本。
二、3D NAND技术有哪些优势
作为目前业界主流的技术，3D NAND通过在硅衬底上垂直堆叠多个存储层，每个存储层包含大量的存储单元，来提高存储密度。同时，每层的存储单元通过复杂的电路连接，实现数据的读写操作。
首先，3D NAND技术可以大幅提高存储的密度，从而增加存储系统的整体容量，降低存储成本。
其次，3D NAND技术具有较快的读写速度和较低的功耗，特别适用于高性能存储需求，尤其是AI、高性能计算等应用场景。
最后，通过采用先进的制造工艺和材料，3D NAND技术具有较高的可靠性和稳定性，能够确保数据的长期保存。
整体来看，3D NAND技术在存储密度、性能和可靠性方面，都有较为明显的优势，尤其是在存储容量方面，提升非常明显，这也是其成为主流技术的根本原因所在。
三、主流3D NAND厂商的技术产品盘点
目前，SK海力士、三星、长江存储、美光均采用了3D NAND技术，且每家厂家都有自己的技术特点。
1）SK海力士
SK海力士从2023年6月量产上一代238层NAND闪存产品，并供应市场。目前，SK海力士公司开始量产321层1TB TLC 4D NAND闪存，也是率先实现了超过300层NAND闪存量产芯片企业，并计划从明年上半年起向客户提供321层产品，以满足市场需求。
在产品开发过程中，SK海力士采用了与238层产品相同的开发平台，从而最大限度地减少工艺切换的任何影响，将生产效率提高59%。数据显示，与上一代相比，321层NAND闪存的数据传输速度和读取性能分别提高了12%和13%，数据读取能效也提高了10%以上。
2）三星
2013年，三星率先推出了V-NAND闪存，这是一种通过垂直堆叠3D空间中的穿孔连接其单元层的解决方案。其采用了CTF（Charge Trap Flash）电荷撷取技术，相比其他采用浮栅技术的闪存颗粒，具有更好的稳定性。因为CTF电荷撷取技术是将电荷存储在绝缘层，电荷不容易丢失，所以V-NAND的可靠性更高，数据保存更稳定。
从24层V-NAND开始，三星逐渐积累了丰富的经验。目前，三星最新量产的是第9代V-NAND，层数达到了290层，并计划于2024年量产超过300层的版本。据TrendForce报道，三星的目标是2026年推出400层垂直堆叠的NAND闪存，以便在激烈的市场竞争中占据领先位置。为了实现这一目标，三星正在开发第10代V-NAND技术，并计划使用创新的键合技术将存储单元和外围电路分别在不同的晶圆上制造，然后再结合在一起。
3）长江存储
2014年，长江存储3D NAND闪存项目正式启动。一直到2017年，长江存储成功试产了32层3D NAND闪存芯片，成为中国首家掌握3D NAND闪存技术并实现量产的企业。目前，长江存储自主研发的Xtacking技术颠覆了传统NAND闪存架构，实现了高密度、高性能、高可靠性和低功耗的闪存芯片。该架构通过将逻辑层与存储单元层分离，提高了生产效率，并简化了制造流程。
2022年，长江存储成功试产232层3D NAND闪存芯片，成为全球第一家突破232层堆叠3D NAND的厂商。目前，长江存储第四代TLC/QLC NAND（X3-9070/X3-9060）已经全面量产，其SSD产品在市场上表现出色，销量已超过三星、金士顿等国外品牌，成为国产存储崛起的代表。
4）美光
美光通过在层数上不断创新，曾率先推出全球首款176层3D NAND闪存，一举刷新行业纪录，实现了闪存产品密度和性能的重大提升。目前，美光研发出了232层3D NAND技术，进一步提升了存储密度和性能。
在技术上，美光采用CMOS-under-array（CuA）架构，即在逻辑阵列上构建闪存层，使得NAND存储器电路区域不再需要为CMOS逻辑留出空间。这一技术减小了NAND裸片尺寸，增加了单位面积中的总存储容量，并提升了设计的灵活性。此外，美光还采用了替换栅极（RG）NAND架构，这一创新的存储架构提供了更长的耐久寿命、更高的电源效率和更大的存储容量。
四、3D NAND技术未来的发展趋势
随着5G、人工智能、物联网等技术的广泛应用，数据存储和处理的需求将继续飙升，从而推动对3D NAND闪存的需求进一步增长。
未来，3D NAND技术将继续进行技术创新和优化，以提高存储密度、读写速度、功耗降低等方面的性能。例如三星存储已经公布了到2030年实现堆叠多达1000层的愿景。
可以看到，随着新的材料和结构的研究，将有望突破现有的技术瓶颈，实现更多的堆叠层数，推动3D NAND技术的进一步发展。
