一片拇指盖大小的芯片，内部垂直堆叠着超过两百层的存储单元，每层容纳着数十亿的电荷陷阱，共同守护着你的照片、文档和记忆。

长江存储前不久宣布量产超过200层的3D NAND芯片，其性能与功耗比已能对标国际大厂同类产品-4。市场上，铠侠和西部数据最新推出的第十代3D NAND技术已经实现322层堆叠-8。

在智能手机、数据中心乃至汽车电子系统中，这种垂直生长的存储技术正悄然改变着数据存储的面貌-4。

如果说传统2D NAND是在平地上建平房，那么3D NAND则是在同样面积上建造摩天大楼。这种技术通过垂直堆叠存储单元层来增加存储密度，而不是继续在二维平面上缩小晶体管尺寸-1。

这种转变始于行业对传统微缩极限的认知——当平面尺寸缩小到一定程度时，量子效应和漏电问题变得难以克服。

简单来说，3D NAND就是将存储单元垂直堆叠起来，就像在同样地基上盖起多层高楼，每层都能住人。这种创新让存储密度大幅提升，同时绕过了传统平面微缩面临的技术瓶颈-1。

要真正理解3D NAND，首先得从它的物理结构入手。现代3D NAND晶粒大约尺寸为12mm x 6mm，具体大小取决于其密度-1。这种小小的芯片内部，却容纳着一个复杂的垂直世界。

每个3D NAND存储单元包含多个精密组件：W/TiN（钨/氮化钛）栅极作为控制通道；AlO（氧化铝）和阻挡氧化层负责控制能隙并阻止电子运动；氮化硅捕捉层则是数据真正的“住所”，可以存储电子；还有穿隧氧化层和多晶硅通道，这些组件共同构成了数据存储的基础单元-1。

更直观地说，你可以把3D NAND想象成一栋超高层建筑，每一层都有无数个“房间”（存储单元），而这些房间通过垂直的“电梯井”（通道孔）相互连接-1。这种设计不仅大幅提高了存储密度，还简化了数据访问路径。

随着3D NAND层数不断增加，制造过程中的测量变得异常困难。当存储单元堆叠到200层甚至300层以上时，通道孔的深宽比急剧增加，形成像超深井一样的结构-2。

传统光学测量方法在应对这种高深宽比结构时显得力不从心，往往无法独立测量孔结构的底部关键尺寸-2。这就像试图从井口用肉眼判断井底直径一样困难。

行业正在转向更先进的检测技术。例如，结合高光谱成像和深度学习的成像光谱反射测量技术，能够非破坏性地快速评估3D NAND通道孔底部的关键尺寸-2。

值得一提的是，ASML开发的YieldStar器件内计量工具采用高数值孔径角分辨散射测量技术，能够在蚀刻后直接测量器件结构上的覆盖误差-6。这种技术通过分析光线在器件结构上的散射模式，可以推断出一个结构与另一个结构之间的放置误差-6。

提高3D NAND存储密度的路径主要有两条：横向微缩和垂直微缩。横向微缩需要减少阶梯面积、外围电路面积和狭缝面积-1。你可以把这个过程想象成在有限的土地上，尽可能高效地规划建筑布局。

近年来，制造商开始将外围晶体管移至存储阵列下方或上方，这种被称为“阵列下CMOS”或“阵列上CMOS”的技术可以节省约10-15%的芯片面积-1。

另一条路径是垂直微缩，即通过添加更多层对来实现-1。随着堆叠高度和深宽比的增加，这种方法变得更加昂贵和技术挑战性增大。

垂直堆叠的秘密在于每一对存储层的厚度控制——缩小每对的厚度可以在相同的堆叠高度上允许更多的层-1。但这并非易事：在替换栅极工艺中去除氮化硅并用金属填充空间变得越来越困难-1。

理解3D NAND技术的可靠性，实质上是在探索电荷如何在微小结构中稳定存储。与架构相关的可靠性问题包括耐擦写特性、数据保持特性以及不稳定的存储位和过度写入-3。

从2D到3D的电荷俘获NAND转换中，垂直电荷损失和横向迁移成为新的挑战。特别是在3D电荷俘获器件中，顶部和底部氧化层的垂直电荷损失、间隔处的横向迁移以及阈值电压瞬态偏移等问题需要特别关注-3。

写入和通道串扰也是影响可靠性的重要因素，尤其是在垂直通道设计中，这些效应变得更加复杂-3。制造商通过材料创新和结构优化来解决这些问题，例如采用更稳定的电荷俘获层和优化的隧道氧化层。

3D NAND技术已经渗透到我们数字生活的方方面面。在消费电子产品领域，它是智能手机和平板电脑的核心存储组件，占据全球3D NAND市场最大的收入份额-4。

随着5G手机的普及和AI功能的集成，3D NAND技术显著提升了应用加载速度和多任务处理能力，满足了用户对高分辨率视频、游戏和摄影等大容量存储需求-4。

在数据中心与云计算领域，企业级固态硬盘利用3D NAND技术提高存储密度和性能，加速AI引擎和大数据分析等数据密集型工作负载的处理-4。云服务提供商利用这些高性能存储解决方案，支持大规模数据处理和实时应用。

更令人惊讶的是，汽车电子也成为3D NAND的重要应用领域，主要用于自动驾驶辅助系统和车载信息娱乐系统-4。这些应用要求存储器在极端温度下维持最佳性能，满足实时数据处理和多媒体应用需求-4。

当前，3D NAND行业正上演一场激烈的层数竞赛。美光、SK海力士、三星等主要厂商都在推动层数不断攀升，从128层、176层到238层，再到如今超过300层-8。

SK海力士甚至提出了“4D NAND”概念，引入了PUC（外围电路置于存储单元下方）技术，将外围控制电路放置在存储单元下方-8。这种创新的架构设计为NAND闪存构建了一个更加高效有序的布局。

与此同时，铠侠和西部数据则注重技术创新与实用性平衡，其第十代3D NAND采用了CBA技术，通过将CMOS晶圆和单元储存阵列晶圆单独制造后键合在一起，提高了芯片的集成度-8。

还引入了Toggle DDR6.0接口标准和SCA协议，使NAND接口速度达到4.8Gb/s-8。在能效方面，PI-LTT技术通过在NAND接口电源中同时使用1.2V电源和额外低压电源，实现了数据输入/输出过程中的功耗降低-8。

网友提问：现在SSD市场上QLC颗粒越来越多，它真的可靠吗？

说实话，早期QLC颗粒确实有过“不靠谱”的名声，主要是因为每个存储单元要记4种电荷状态，电荷量差别很小，容易读错。不过，现在情况不一样了。随着3D NAND层数增加到两百多层，单个存储单元的物理尺寸实际上变大了，电荷存储更稳定-3。

制造商还开发了更聪明的纠错技术，像LDPC码这种新一代纠错码，能实时检测和纠正错误-8。系统层面也有改进，主控芯片会智能管理数据，不频繁擦写QLC区域，延长使用寿命。

对于普通用户来说，现在的QLC SSD应付日常办公、娱乐存储完全没问题。当然如果你需要频繁写入大量数据，比如视频编辑，可能还是需要考虑TLC甚至企业级产品。

网友提问：不同厂家的3D NAND技术有什么本质区别？

各家厂商在3D NAND技术路径上确实选择了不同方向，好比是不同的建筑学派。三星用的是“电荷捕获”技术，就像用网兜捕捉电荷；而美光等厂商则坚持“浮栅”技术，类似于用桶装电荷-3。

在结构设计上，有的像SK海力士采用PUC技术，把外围电路放在存储阵列下面，节省空间-8；有的如铠侠用CBA技术，把控制电路和存储单元分别制造再键合-8。

这些技术选择各有利弊，电荷捕获技术简单些，浮栅技术性能更优但工艺复杂。最终体现在产品上，就是寿命、速度、价格的细微差别。普通消费者可能感觉不出明显差异，但对数据中心来说，这些区别就意味着长期运营成本的不同。

网友提问：未来3D NAND技术会往什么方向发展？

3D NAND的未来有点像盖更高的摩天大楼，但也会更智能。层数肯定会继续增加，SK海力士已经在准备400多层堆叠的量产-8。不过单纯增加层数会遇到物理极限，所以制造商开始玩“花样堆叠”，比如把不同功能的芯片垂直堆在一起-3。

更值得关注的是AI带来的变革。随着DeepSeek这类AI模型的发展，AI手机需要更大的存储空间和更快的读取速度-8。

未来3D NAND不仅要存数据，可能还要配合AI芯片做简单计算，这叫“存算一体”。功耗也会越来越低，毕竟手机和物联网设备都指望长续航-8。说不定未来我们买的SSD，会根据使用习惯自动优化数据存放位置，越用越快。