嘿,各位数码爱好者和硬件“折腾狂”们,不知道你们有没有发现,咱们手里的手机容量是越做越大,固态硬盘的价格却是越来越亲民了?这背后啊,有一个大功臣的技术转折,那就是从“摊大饼”的平面(2D)NAND,转向了“盖高楼”的立体(3D)NAND。今儿个咱就来好好唠唠,这个3D NAND技术什么时候出的,它又是怎么一步步改变我们数字生活的。

说真的,这可不是一个简单的时间点,更像是一场蓄谋已久的技术革命。故事的起点,得定格在2013年。那一年,半导体行业的老大哥三星电子,扔下了一枚重磅炸弹——它宣布开始量产全球第一款三维结构的NAND闪存,并给它起了个响亮的名字叫“Vertical NAND”,简称V-NAND-8。这可是个里程碑式的事件,标志着存储芯片的进化主旋律,正式从水平方向的“微缩雕刻”(微细化),转向了垂直方向的“层层堆叠”(3D化)-4

你可能会问,为啥非得在这个时间点“往上盖”呢?这事儿说来也是被逼的。在2D时代,大家拼命把电路刻得越来越细,从几十纳米一路干到了十几纳米-4。但到2013年左右,问题来了:当工艺做到16-19纳米这个坎儿,平面NAND的存储单元之间“干扰”太大,就像邻居家说话声太吵你没法专心一样,数据可靠性开始下降-4。而且,继续往下微缩,那个加工成本简直是“噌噌”往上涨,不划算了-4。于是,三星等巨头们一拍脑袋:得,横向发展遇到天花板了,那咱们就纵向发展吧!把存储单元像盖楼一样一层层堆起来,即便每层的工艺不用那么极致(比如用回30-40纳米),也能在单位面积上实现更大的容量,还顺带解决了干扰问题-4。所以,当我们探究3D NAND技术什么时候出,本质上是在寻找那个平面技术触顶、立体思维开启的关键时刻,而2013年就是这个分水岭-4-8

当然啦,三星这声发令枪一响,其他赛场上的选手也都没闲着,一场“堆叠”竞赛就此拉开大幕。就在三星宣布量产的同一年,在闪存峰会上,SK海力士也展示了自己的3D NAND晶圆-6。东芝和它的伙伴闪迪(SanDisk)则公布了他们的3D技术方案,名叫“BiCS”,不过他们步子稍稳,计划要到2015年下半年才投入量产-6-7。而美光和英特尔组成的阵营,也紧赶慢赶地计划在2014年推出样品-5-7。所以你看,技术的诞生从来不是孤立的,它是一连串的产业共振。3D NAND技术什么时候出?对于整个行业而言,2013-2014年就是集体转向和明确技术路线的“出生证”颁发期。

说到这里,可能有些朋友会较真:“那是不是谁先堆的层数多,谁就最牛?”哎呀,这可就陷入一个常见的误区喽!层数当然重要,它直接关系到存储密度,但真不是唯一的评判标准。这就像比楼高,不能光数层数,还得看每层的利用率、楼体结构稳不稳、电梯(数据传输)快不快。业内专家早就提醒,过于关注层数可能是一种误导-1。比如,有的设计会把一些层作为辅助结构来提升整体稳定性;再比如,把控制电路放在存储单元阵列下方的设计,也能大幅提升效率-1。还有关键的存储单元技术,是采用电荷撷取(CTF)还是传统浮栅(FG),也直接影响着产品的可靠性、寿命和性能-1。所以,后来像美光等厂商,在层数上拼命追赶甚至一时领先(比如2022年底宣布量产232层产品-2),但三星这样的领头羊,完全可以通过架构优化、提升接口速度和整体可靠性来保持竞争力-2。这告诉我们,技术出生的“时间”和“形态”固然重要,但它的“综合素质”和后续进化能力,才是决定市场胜负的关键。

更有意思的是,在这场全球竞赛中,后来者的追赶速度快得惊人。就拿咱们中国的长江存储来说,它起步相对较晚,2017年底才推出32层产品-1。但人家发展势头那叫一个猛,凭借独特的Xtacking架构技术,直接跳级发展,2020年就推出了128层堆叠的3D NAND闪存,从层数上看已经跻身第一梯队-1。这正应了长江存储CEO说过的那句话:用3年时间走过了国际厂商6年走过的路-1。这也从另一个角度回答了“3D NAND技术什么时候出”的深层问题:对于不同的市场参与者,“出现”意味着不同的东西——对先行者是“首创”,对追赶者是“突破”,而对整个产业而言,是技术民主化和竞争白热化的开始。

这技术未来的“楼”要盖到多高呢?业界已经把眼光投向了500层以上-1。但可以预见,未来的比拼将更加综合,是层数、架构创新、成本控制、产能和市场生态的全方位较量。从2013年第一栋“24层小楼”拔地而起,到现在动辄两三百层的“摩天大厦”,3D NAND技术的诞生与进化,实实在在地让我们用更低的价钱,享受到了海量的存储空间和更快的速度。下一次当你拿起大容量手机或给电脑装上高速固态硬盘时,或许可以会心一笑,想起这场始于十多年前、向立体空间要容量的精彩技术革命。


网友问题与互动

1. 网友“科技编年史”提问:文章提到2013年是关键节点,能再具体梳理下2013-2015年,除了三星,其他几家大厂(如海力士、美光、东芝/闪迪)确切的3D NAND量产或重要进展时间线吗?感觉早期信息有点模糊。

答:这位朋友问得很细,确实,技术转型初期各家的路线图有些“烟雾弹”和动态调整。根据当时多家行业媒体的报道,我们可以捋出一个大致清晰的脉络:

  • 三星:毫无疑问是领跑者。2013年8月,它正式宣布量产全球首款3D V-NAND,24层,128Gb容量-4-8。这个“量产”是实实在在的,因为它同期就发布了基于该闪存的企业级SSD样品-4

  • SK海力士:在2013年8月的闪存峰会上,它紧随三星之后,展示了128Gb的3D NAND晶圆-6。其当时的计划是,在2014年第一季度投入商用-6。另有资料指出其目标是在2014年第四季进入量产-7

  • 东芝/闪迪联盟:这对伙伴在2013年公布的技术叫“BiCS”。他们的策略相对保守,多次公开表示初期24层堆叠在成本上优势不足-4。他们的量产时间表定在了2015年下半年-5-7。2014年第二季度起开始小量试产-7

  • 美光/英特尔阵营:在2013年,美光对3D技术的公开细节较少,只表示会和英特尔合作,在合适的时候推出-6。更多的信息显示,他们计划在2014年第二季度左右送样测试,目标也是最快在2014年第四季进入量产-7

总结一下,2013年是技术发布和展示的集中年份;2014年是除了三星继续推进外,其他几家努力实现从样品到量产爬坡的关键年;而到了2015年,包括东芝/闪迪在内的主要玩家,才全部进入了规模化量产阶段-5-7。早期的“模糊”,正好反映了这项复杂技术从实验室走向生产线所面临的共同挑战。

2. 网友“堆叠不是一切”提问:很赞同文章里“层数不是唯一标准”的观点。能不能举个具体例子,说说除了堆层数,厂商们还有哪些“独门秘籍”来提升3D NAND的整体性能?

答:这位网友抓住了精髓!的确,堆层数像是增加书架的数量,但如何让存取书籍(数据)更快、更稳、更省力,就需要别的巧思了。厂商们的“独门秘籍”主要藏在架构设计单元技术两大方面。

一个经典的架构秘籍叫做 “CMOS under Array”(简称CuA,或称PUC、COP)-1。传统设计里,存储单元阵列和负责控制、解码的逻辑电路(CMOS)是并排放在芯片上的。而CuA技术像给芯片做了个“复式结构”:把逻辑电路放在存储单元阵列的正下方-1。这样做的好处非常直接:极大节省了芯片面积,在同样大小的芯片上能塞进更多存储单元,直接提升了存储密度和成本效益。这可比单纯堆叠几层来得更高效。

另一个秘籍在于存储单元本身的技术路线选择。主要分两派:

  • 电荷撷取闪存:这种技术使用氮化硅薄膜来捕获电子-1。它的优点是结构相对简单,干扰小,尤其在堆叠层数越来越高时,可靠性和可扩展性方面表现更好。三星、SK海力士、铠侠等大多厂商主要走这条路线-1

  • 浮栅技术:这是更传统的方法,将电子存储在多晶硅浮栅中-1。它的优势在于存储电荷量更足,信号更强。美光和英特尔长期以来一直坚持使用浮栅技术,直到其176层产品后才考虑转换-1。英特尔认为,这让他们的QLC(四层单元)闪存在耐用性上更有优势-1

所以你看,长江存储能快速追赶,其核心秘籍 “Xtacking”架构,本质上也属于创新的架构设计。它允许存储单元阵列和外围逻辑电路分别在两片晶圆上独立加工,然后通过垂直互连技术像“搭乐高”一样键合在一起-1。这种方式提高了工艺灵活性和生产效率。这些例子都说明,在3D NAND的世界里,“如何盖楼”的设计智慧,其重要性丝毫不亚于“盖了多少层”。

3. 网友“国产力量观察者”提问:提到长江存储3年走了别人6年的路,很提气!除了层数追平,它在技术上有真正的独特创新吗?目前的市场地位和挑战又是什么?

答:这个问题问到了点子上。长江存储的快速崛起,绝不仅仅是层数上的“复制追赶”,其核心确实带来了独特的架构创新——也就是刚才提到的 Xtacking® 技术。这项技术的精髓在于将存储单元阵列和外围逻辑电路在不同的晶圆上分别制造,然后通过独创的硅片键合工艺垂直互联起来-1

这种“分体式”设计有几个显著优势:第一,它允许存储单元和逻辑电路采用各自最优的工艺来制造,互不妥协,从而有望实现更高的存储密度和更快的I/O速度。第二,两片晶圆可以并行加工,理论上可以缩短生产周期,提升研发效率。这正是其能够实现快速迭代(比如从64层直接跳至128层)的重要技术基础-1。它的创新是得到业界分析师认可的,被认为是一种有潜力的技术方案-1

关于市场地位和挑战,情况比较清晰。根据2020年第三季度的数据,全球闪存市场超过98%的份额被三星、铠侠等六大原厂占据,长江存储的份额预计刚超过1%,位列全球第七-1。这是一个典型的从0到1的突破,但距离第一梯队仍有巨大差距。其挑战是多重且艰巨的:首先,产能爬坡和成本控制是生存之本,需要持续巨额投资。在完成技术验证后,构建稳定的客户生态和品牌信任是打开市场的关键,尤其是在高端消费级和企业级市场。正如行业专家指出的,闪存是标准化产品,具有强烈的规模效应,后来者必须找到差异化优势-2。对于长江存储而言,贴近快速发展的中国本土市场(如信创产业),构建从芯片到系统的完整生态链,可能是其实现突围的重要路径-2。它的故事,是一部从技术突破走向商业和市场全面挑战的进取史。