在存儲領域，閃存（Flash Memory）憑借高性能、低功耗、高可靠、小體積等諸多優勢，已經成為高性能智算中心的主流存儲產品。為了提高閃存顆粒的數據存儲密度，3D NAND技術應運而生，并成為閃存顆粒未來的主要技術。

今日，SK海力士官方公布正式開始量產全球首款321層1TB TLC 4D NAND閃存的消息引起了我們的關注。那么，何為3D NAND技術？各閃存顆粒廠商在3D NAND技術上有哪些最新的突破？未來3D NAND技術有哪些重要的發展趨勢？本文將一一進行解讀。

一、3D NAND技術概述

NAND閃存技術起源于20世紀80年代，最初的NAND閃存主要采用2D NAND技術，與CPU/GPU相同，通過不斷地提升制程工藝來提高存儲的密度。目前，NAND在制程工藝方面，已經從早期的幾十納米制程逐步縮小到如今的個位數納米制程。

隨著2D NAND閃存制程工藝技術的不斷縮小，逐漸逼近物理極限。雖然制程工藝技術的縮小帶來了存儲單元密度的提升和單位存儲成本的降低，但也帶來了電荷泄漏、制造工藝復雜度增加等問題。為了解決這一問題，業界開始探索3D NAND技術，通過在垂直方向上構建存儲單元，打破了平面布局的限制。

2007年， 東芝在日本東京舉辦的超大規模集成電路研討會（VLSI）上提出了3D NAND技術的概念，并將其命名為BiCS（bit cost scalable），旨在降低單位bit成本。2013年，三星率先量產了3D NAND產品，命名為V-NAND，成為全球首款量產的3D NAND閃存。

從這一年開始，3D NAND技術經歷了從24層到32層、再到更高層數的快速發展過程。三星、長江存儲、美光、SK海力士等各大廠商紛紛投入研發，不斷推出更高堆疊層數、更高性能的3D NAND產品。通過技術創新和優化，3D NAND技術在提高存儲密度、讀寫速度、功耗降低等方面取得了顯著進展。

實際上，SK海力士發布的4D NAND技術本質上也是另一種形式的3D NAND閃存，是SK海力士特有的術語，是在3D NAND技術的基礎上，將外圍電路置于NAND陣列之下，通過垂直集成進一步提高存儲密度并降低成本。

二、3D NAND技術有哪些優勢

作為目前業界主流的技術，3D NAND通過在硅襯底上垂直堆疊多個存儲層，每個存儲層包含大量的存儲單元，來提高存儲密度。同時，每層的存儲單元通過復雜的電路連接，實現數據的讀寫操作。

首先，3D NAND技術可以大幅提高存儲的密度，從而增加存儲系統的整體容量，降低存儲成本。

其次，3D NAND技術具有較快的讀寫速度和較低的功耗，特別適用于高性能存儲需求，尤其是AI、高性能計算等應用場景。

最后，通過采用先進的制造工藝和材料，3D NAND技術具有較高的可靠性和穩定性，能夠確保數據的長期保存。

整體來看，3D NAND技術在存儲密度、性能和可靠性方面，都有較為明顯的優勢，尤其是在存儲容量方面，提升非常明顯，這也是其成為主流技術的根本原因所在。

三、主流3D NAND廠商的技術產品盤點

目前，SK海力士、三星、長江存儲、美光均采用了3D NAND技術，且每家廠家都有自己的技術特點。

1）SK海力士

SK海力士從2023年6月量產上一代238層NAND閃存產品，并供應市場。目前，SK海力士公司開始量產321層1TB TLC 4D NAND閃存，也是率先實現了超過300層NAND閃存量產芯片企業，并計劃從明年上半年起向客戶提供321層產品，以滿足市場需求。

在產品開發過程中，SK海力士采用了與238層產品相同的開發平臺，從而最大限度地減少工藝切換的任何影響，將生產效率提高59%。數據顯示，與上一代相比，321層NAND閃存的數據傳輸速度和讀取性能分別提高了12%和13%，數據讀取能效也提高了10%以上。

2）三星

2013年，三星率先推出了V-NAND閃存，這是一種通過垂直堆疊3D空間中的穿孔連接其單元層的解決方案。其采用了CTF（Charge Trap Flash）電荷擷取技術，相比其他采用浮柵技術的閃存顆粒，具有更好的穩定性。因為CTF電荷擷取技術是將電荷存儲在絕緣層，電荷不容易丟失，所以V-NAND的可靠性更高，數據保存更穩定。

從24層V-NAND開始，三星逐漸積累了豐富的經驗。目前，三星最新量產的是第9代V-NAND，層數達到了290層，并計劃于2024年量產超過300層的版本。據TrendForce報道，三星的目標是2026年推出400層垂直堆疊的NAND閃存，以便在激烈的市場競爭中占據領先位置。為了實現這一目標，三星正在開發第10代V-NAND技術，并計劃使用創新的鍵合技術將存儲單元和外圍電路分別在不同的晶圓上制造，然后再結合在一起。

3）長江存儲

2014年，長江存儲3D NAND閃存項目正式啟動。一直到2017年，長江存儲成功試產了32層3D NAND閃存芯片，成為中國首家掌握3D NAND閃存技術并實現量產的企業。目前，長江存儲自主研發的Xtacking技術顛覆了傳統NAND閃存架構，實現了高密度、高性能、高可靠性和低功耗的閃存芯片。該架構通過將邏輯層與存儲單元層分離，提高了生產效率，并簡化了制造流程。

2022年，長江存儲成功試產232層3D NAND閃存芯片，成為全球第一家突破232層堆疊3D NAND的廠商。目前，長江存儲第四代TLC/QLC NAND（X3-9070/X3-9060）已經全面量產，其SSD產品在市場上表現出色，銷量已超過三星、金士頓等國外品牌，成為國產存儲崛起的代表。

4）美光

美光通過在層數上不斷創新，曾率先推出全球首款176層3D NAND閃存，一舉刷新行業紀錄，實現了閃存產品密度和性能的重大提升。目前，美光研發出了232層3D NAND技術，進一步提升了存儲密度和性能。

在技術上，美光采用CMOS-under-array（CuA）架構，即在邏輯陣列上構建閃存層，使得NAND存儲器電路區域不再需要為CMOS邏輯留出空間。這一技術減小了NAND裸片尺寸，增加了單位面積中的總存儲容量，并提升了設計的靈活性。此外，美光還采用了替換柵極（RG）NAND架構，這一創新的存儲架構提供了更長的耐久壽命、更高的電源效率和更大的存儲容量。

四、3D NAND技術未來的發展趨勢

隨著5G、人工智能、物聯網等技術的廣泛應用，數據存儲和處理的需求將繼續飆升，從而推動對3D NAND閃存的需求進一步增長。

未來，3D NAND技術將繼續進行技術創新和優化，以提高存儲密度、讀寫速度、功耗降低等方面的性能。例如三星存儲已經公布了到2030年實現堆疊多達1000層的愿景。

可以看到，隨著新的材料和結構的研究，將有望突破現有的技術瓶頸，實現更多的堆疊層數，推動3D NAND技術的進一步發展。