从新闻到市场分析报告，我们看到很多关于 3d nand 的报道，国内这几年投资兴建许多12吋半导体工厂，其中大多是晶圆代工或 dram 厂，排除外资所投资的半导体厂，长江存储 (ymtc) 的武汉新芯 (xmc) 是目前唯一即将量产 3d nand 的国内厂家。武汉新芯已研发出 32 层 3d nand 芯片，预计年底量产，不过据消息指出，截至九月底武汉新芯已有约 2,000 片产能。
本篇文章将带大家初步了解 3d nand 是什么、为何发展 3d nand 技术、3d nand 有哪些技术发展，以及，它所带来的影响。
nor flash及nand flash
在开始之前，我们先来科普一下ㄧ些 flash memory 的基本知识。在半导体存储器领域，nand 是 nand flash memory 的简称，flash memory 在国内翻译为快闪存储器，简称闪存，是ㄧ种非易失性存储器 (non-volatile memory，nvm)，也就是说当电源关掉，它所存储的数据不会消失。与之对应，大家常听到的 dram、sram 则是易失性存储器 (volatile memory， vm)，电源关掉，所存储的数据会消失。
闪存依存储单元 (memory cell) 结构的不同区分为 nor flash及 nand flash 二种，对于这二种闪存的差异，技术细节我们不在此细说，读者只需知道：(请参考下表)
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图片来源 : created by author
闪存缩放限制
(flash memory scaling limit)
小存储单元尺寸 (cell size)、高性能 (performance) 以及低功耗 (power consumption) 一直是存储器业者持续追求的目标。越来越小的尺寸让每片晶圆可以生产更多的 die，高性能才能符合高速运算的需求，低耗电才能改善行动装置电池充电频率及数据中心系统散热的问题。而芯片工艺的每一次提升 (24nm → 14nm → 10nm…) ，带来的不仅仅是元件尺寸的缩小，同时也带来性能的增强和功耗的降低。
有个词称为 ”闪存的缩放限制” (flash memory scaling limit)，指出无论芯片上的元件能缩小多少，闪存都无法跟上步伐。这个限制过去十多年ㄧ直都没实现，然而，14nm 以下，半导体工艺迁移到 fin-fet (fin field-effect transistor，鳍式场效应晶体管) 结构，一种新的晶体管，让这个 ”闪存缩放限制” 问题正式浮出水面，因为这技术无法直接套用在既有的闪存元件上。嵌入式 nor flash 在这方面目前似乎无解，幸好过去几年，ㄧ些新的存储器元件技术已被开发出来，嵌入式 nor flash 被取代应该只是时间早晚的问题，相反的，nand flash 业者却早已找到ㄧ些因应之道。
为了打破 ”闪存的缩放限制” 枷锁，确保能持续提供高容量、低成本的 nand flash，相关业者多年前就开始研发解决之道。主要的方向有:
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很多文章将第ㄧ项及第三项混淆在ㄧ起，下面我们将ㄧㄧ介绍，协助大家了解。
3d nand flash
那到底什么是 3d nand ? 它指的是 nand 闪存的存储单元是 3d 的。我们之前使用的闪存多属于平面闪存 (planar nand)，而 3d nand，顾名思义，就是它是立体的。intel 用高楼大厦为例演释 3d nand，如果平面闪存是平房，那 3d nand 就是高楼大厦。把存储单元立体化，这意味着每个存储单元的单位面积可以大幅下降。下图为 samsung planar nand 发展至 3d nand (v-nand) 的示意图。
图片来源 : samsung v-nand technology white paper (modi
左边二个是 planar nand，只是存储单元结构不同，由浮动栅结构 (floating gate) 迁移至电荷撷取闪存，亦即上图之 2d ctf (charge trap flash)。然后是将 2d ctf 存储单元 3d 化变成 3d ctf 存储单元 (上图之 3d ctf)，最后通过工艺技术提升逐渐往上增加存储单元的 layer 数，把存储单元像盖大楼ㄧ样越做越多层。samsung 的 3d v-nand 存储单元的层次 (layer) 由 2009 年的 2-layer 逐渐提升至 24-layer、64-layer，再到今年 (2018) 之 96-layer。
图片来源 : samsung v-nand technology white paper (modi
近几年来许多大厂纷纷投入 3d nand 的研发，但目前只有 samsung、toshiba/sandisk/wd、sk hynix、micron/intel 四组公司能够量产。各家的 3d nand 存储单元及技术都不相同，也几乎每家公司都已宣布开发出 96 层 3d nand，但目前量产的大多为 64 到 72 层的 3d nand。
3d nand 闪存工艺复杂，难度极高，因此厂商并非以最先进的工艺来研发生产 3d nand。目前最先进的逻辑芯片工艺已来到 7nm，许多大厂目前量产的是 14nm，planar nand 也多使用 14nm 工艺生产，而 3d nand 则大多使用 20nm 以上的工艺。下图是 tech insights 2018 最新整理的 nand flash roadmap，包含 2d (planar) nand 及 3d nand，注意到没，前面提到即将量产的长江存储 (武汉新芯) 已被纳入图表中，成为第五家有能力生产 3d nand 的厂家。
图片来源 : tech insights nand flash memory technology/
多层单元
(multi-level cell)
一般正常的存储单元，不管是 dram、sram、flash、rom 等等，都只存储ㄧ个比特 (bit) 的资料 (称为 slc，single-level cell)。为能更缩小存储单元尺寸，除了运用工艺持续做小及将存储单元 3d 化外，各厂商也将脑筋动到增加每存储单元能存储的 bit 数目上。简单的算数，当ㄧ个存储单元可以存储二个 bit 时 (称为 mlc，multi-level cell)，其存储单元尺寸等同于减少ㄧ半 ; 存储三个 bit (称为 tlc，triple-level cell)，则尺寸等同于原有的 1/3 ; 四个 bit (称为 qlc，quad-level cell)，则存储单元尺寸只剩原有的 1/4。(注: 也许当年在定义 2-level cell 时没想之后还会有 tlc 及 qlc，因此以 mlc 代表 2-level cell)。
slc 存储ㄧ个 bit 数据，也就是二个状态 (0，1) ; mlc 存储二个 bit 数据，所以是四个状态 (00，01，10，11) ; tlc 三个 bit，八个状态 (000，001，010，011，100，101，110，111) ; qlc 四个 bit，十六个状态 (0000，0001，…. 1111)，如下图所示。
图片来源 : micron official website (modified by author
当然天下没有白吃的午餐，鱼与熊掌不可兼得，存储单元尺寸降低的代价是设计难度的提高以及性能的降低。为什么会如此？又是ㄧ个简单的算数问题。假设存储单元电压是 1.8v，对 slc 而言，ㄧ个 bit 有二个状态，平均分配 1.8v 电压，每个状态可以分到 0.9v。对 mlc 而言，四个状态平均分配电压，每个状态可以分到 0.45v，以此类推，tlc 每个状态只可以分到 0.225v，而 qlc 更惨，每个状态只可以分到 0.1125v。在这么小的电压下，这么多的状态以极小的电压区隔，电压区隔越小越难控制，干扰也越复杂，而这些问题都会影响 tlc 或 qlc 闪存的性能、可靠性及稳定性，因而可以想见设计的难度有多高了。
另外如同上图所示，越往右，存储单元相对尺寸越小，因而成本越低。但其编程/擦除周期 (program/erase cycle，简称 p/e cycle，也有人称为擦写次数) 会大幅降低，同时读、写及擦除所需的时间也会增加 (性能降低)。擦写次数的降低为这项技术带来相当大的争议，因为擦写次数代表这闪存的寿命长短。如同上图所示，从 slc 到 qlc，擦写次数由 10 万次降到只有ㄧ千次，吓坏ㄧ大堆人。
厂商当然也知道，他们用系统设计来弥补这项缺点。系统会控制平均分摊每一个区块的擦写次数，故障的区块也会被尚未使用的区块替换，以确保了闪存能持续运行。因为如此，即使每个存储单元只有ㄧ千次擦写次数，整颗闪存仍然可以从容的应付我们日常使用的需求。当然，这样的结果使得 tlc 或 qlc 只适用于消费者个人使用 (例如 ssd)，它是无法满足 data center 之类的企业需求的，因为商用，例如资料处理中心 (data processing center)，的存储设备，其插写频率是相当相当高的。
硅穿孔技术
(tsv，through silicon via)
硅穿孔技术其实与 3d nand 工艺无关，严格来说，它属于ㄧ种封装技术。会拿出来讲主要是ㄧ方面它可让 3d nand 闪存更上层楼，容量加大好几倍。另ㄧ个原因是因为有些人把它跟 3d nand 存储单元的 layer 层数混淆了，他们把 32、64 或 96-layer 3d nand 描述为把 32、64 或 96 个晶粒 (die) 堆叠在ㄧ起，这是很大的误解。
tsv 技术已普遍用于 dram及 flash 产品。以往ㄧ个 ic 芯片 (chip) 只封装ㄧ颗晶粒，渐渐地为了降低成本、节省主机板空间及提高性能，多芯片封装 (mcp，multi-chip package) 开始盛行 (如下图左方图示)。tsv 则是以工艺方式将 ic 基板 (substrate) 穿孔，填入金属，让上下晶粒直接相导通 (如下图右方图示)，不仅省去像左方图示所显示封装打线 (bonding)，更能进ㄧ步提升 dram 或 flash 单颗芯片的容量、讯号品质、传输性能，以及降低传导杂讯干扰。
图片来源 : 3d nand flash memory - toshiba (modified by
目前各家量产的 3d nand 芯片大多只以 tsv 堆叠到 8 或 16 层 3d nand 晶粒 (die)。下表范例为 toshiba 的 512gb (gigabyte)/1tb (terabyte) 闪存产品介绍，你可以清楚看到它使用 48-layer 的 3d nand 存储工艺制造出容量为 512 gb (gigabit) 的闪存晶粒，再以 tsv 技术分别堆叠 8 或 16 个 die (在下表中是以 number of stacks 来表示堆叠数目) 来做出 512 gb (512gb x 8) 或 1tb (512gb x 16) 的闪存芯片。(注 : 小写的 b 代表 bit (比特)，大写 b 代表 byte (字节)，ㄧ个 byte 等于 8 个 bits)。
图片来源 : anandtech post : toshiba weds 3d nand and t
所以，ㄧ个 nand 闪存的晶粒 (die)，运用 3d nand 技术，可以把多达 96-layer 的存储单元堆叠在一起，像盖摩天大楼ㄧ样。而为了增加每个封装芯片 (chip) 的容量，厂商再把8个或16个晶粒 (die) 以tsv 的技术叠在ㄧ起去封装成芯片。这样应该清楚了吧!
结语
半导体工艺来到 14nm 以下，fin-fet 技术让 nand 及 nor 闪存的发展碰到瓶颈。半导体大厂运用三项技术，亦即 3d nand 存储单元技术、多层单元 (mlc/tlc/qlc) 技术，以及，硅穿孔 (tsv) 技术，让 nand 闪存得以持续发展，许多大厂都已开发出 96 层 tlc 甚至是 qlc 的 3d nand 闪存。
nand 闪存芯片的容量在这几年快速提升，因而使得 nand 闪存芯片成为行动装置及计算机内之大量数据存储器芯片。ssd 固态硬盘的容量已可做到 1tb (terabyte) 等级，逼近 hdd 传统硬盘 (hard disk drive)。虽然在未来几年 hdd 仍然有些许价格上的优势 (ssd 每 gb 的单价约为 $0.2~$0.3，是 hdd 的10 倍)，但由于 ssd 不像 hdd 有机械动作，速度、噪音及耗电也都比 hdd 好，已普遍受到ㄧ般消费者的欢迎，然而由于低擦写次数等限制，使得 3d nand ssd 无法取代 hdd 在商用市场上的地位。
许多新型态的非易失性存储器已研发出来 (我们将另文介绍)，未来或许能取代现有的 dram/sram/flash 存储器。在此之前，3d nand 闪存应该仍可保有它的市场地位ㄧ段时间。
最后，附带ㄧ提，这个月初 (2018 年 8 月)，长江存储发表其称之为 xtacking 的突破性技术。它将为其 3d nand 闪存带来前所未有的 i/o 高性能、高存储密度，以及更短的产品上市周期。依据其新闻稿，xtacking 技术只需一个处理步骤就可通过数百万根金属 via (vertical interconnect accesses，垂直互联通道) 将二片晶圆键合接通电路 (注意是二片晶圆而非二颗晶粒)，其中一片晶圆是负责数据 i/o 及存储单元操作的外围电路，另一片晶圆则是 3d nand 存储单元。这样的方式有利于 i/o 及控制电路以及 3d nand flash 各自选择其最合适的先进逻辑工艺，这 xtacking 技术可以让其 nand i/o 速度得以提升到 3.0gbps (目前世界上最快的 3d nand i/o 速度的目标值是 1.4gbps)， 与 dram ddr4 的 i/o 速度相当，这即将量产的国产 3d nand 闪存值得期待。【内容由 微信公众号 半导体行业观察 （id：icbank） 综合自「非凡创芯力」】