走进电脑城,商家指着固态硬盘上芝麻粒大小的芯片说:“这里头能装下整个图书馆。”这背后是一场关于如何在方寸间“盖高楼”的技术竞赛。

美光最新的232层3D NAND闪存芯片已在2TB封装中实现了每平方毫米14.6Gb的存储密度-3。SK海力士更进一步,展示了超过300层的第八代3D NAND Flash原型-9

这些芯片里有着超过3665亿个存储单元,单颗芯片容量可达惊人的1.33Tb-6。3D NAND技术通过堆叠存储单元,像建造摩天大楼一样在垂直方向上拓展空间,彻底改变了存储容量的游戏规则-8


01 技术跃进

想象一下,你有一块固定大小的土地,需要在上面建造尽可能多的停车位。传统的方法(2D NAND)就像在这块地上铺满单层停车场,很快就达到了容量极限。

而3D NAND的思路完全不同,它选择在这块地上建造多层立体停车场-8

从技术角度看,这不仅仅是简单的堆积。自2013年3D NAND闪存开始商业化生产以来,存储密度以每年约1.41倍的速度持续提升-4。三星在2014年率先推出24层V-NAND技术,开启了3D NAND时代-7

那时的制造极其困难,良率甚至不到一半,但这一突破为后续发展奠定了基础-4

美光3D TLC B27B系列提供了从64GB到512GB的多种容量选择-1。长江存储用短短3年时间实现了从32层到64层再到128层的跨越,用一颗芝麻粒大小的芯片存储高达1.33TB的数据-5

这样的进步就像是把一层平房改造成了高层公寓,单位面积的土地利用率大幅提升-3

02 容量博弈

在这场存储容量的博弈中,各大厂商争先恐后地推高3D NAND闪存颗粒的层数。就像建筑竞赛一样,每一代的层数都在刷新纪录。

美光率先量产了232层3D NAND闪存芯片,将每单位面积存储的比特密度提高了一倍-3三星的第九代3D NAND预计将达到280层,而SK海力士则展示了超过300层的原型产品-9-10

中国企业也在这场竞赛中崭露头角,长江存储的128层QLC 3D NAND闪存拥有业界最高的存储密度和单颗芯片容量-6

堆叠层数的增加不仅提高了存储密度,还带来了性能提升。美光优化了数据传输路径,将速率提高了50%,达到2.4Gb/s-3

三星的新款V9 QLC NAND闪存的最大传输速率更是达到了3.2 Gbps-10。这些技术进步使得高容量存储设备在保持性能的同时,单位比特成本持续下降

03 扩容之道

3D NAND闪存颗粒容量的提升并非只有堆叠层数这一条路。实际上,厂商们正沿着四个方向同时推进。

提高层数是最直观的方法,从最初的24层一路增加到现在的300层以上-4。另一个方向是增加每个存储单元存储的数据位数,从SLC到MLC、TLC,再到QLC和正在研发的PLC-10

每一代变化都意味着在同样的物理空间内能存储更多数据

三星开发出每单元4位的新一代QLC NAND闪存,面积密度达到每平方毫米28.5 Gbit-10。水平扩容是增加每一层的存储密度,通过提高孔隙密度来实现-10

结构优化则关注存储单元和外围电路的布局关系,采用新技术如CBA(外围电路直接键合到存储阵列)等-10

未来存储行业需要在垂直扩容和水平扩容之间找到平衡点,通盘考虑这四个维度,才能生产出具有最优性价比的产品-10

04 未来展望

未来几年,3D NAND闪存颗粒容量将迎来更大突破。各大厂商已制定了雄心勃勃的技术路线图,层数竞赛远未结束

三星计划在2024年推出第九代3D NAND(预计达到280层),2025-2026年推出第十代(预计达到430层),并计划在2030年前实现1000层NAND Flash-10

铠侠与西部数据也在积极探索300层以上、400层以上与500层以上的3D NAND技术-10。实现1000层以上NAND Flash面临着多重挑战,就像建设摩天大楼一样,需要考虑坍塌、弯曲、断裂等诸多稳定性问题-10

还需要克服连接孔加工工艺、最小化电池干扰、缩短层高以及扩大每层存储容量等技术障碍-10

随着AI、大数据等技术的发展,催生了对大容量存储产品的需求,未来闪存行业将迅速迈入ZB时代,尤其是在边云核心应用场景中-10


如今,各大厂商的实验室里,超过400层的3D NAND原型正在测试中,而三星的技术路线图显示,到2030年,我们可能会见到1000层的NAND闪存颗粒-10

美光最新的232层产品已经能够在不超过一厘米的封装中存储两周时长的4K视频-3

长江存储用短短三年时间走完了从32层到128层的技术跨越,将中国存储芯片推向了全球竞争的前沿-5


网友问题解答

问题一:都说3D NAND比2D好,到底好在哪里?像我这种普通用户能感受到差别吗?

这个问题问到点子上了!咱们就说得直白点:差别太明显了,而且你能直接感受到。

想想你手机老是提示“存储空间不足”的时候,或者电脑装个大游戏要等半天的时候。3D NAND最大的优势就是能在同样大小的芯片里塞进更多数据。这就好比原来你住的是平房,东西多了只能往外扩建(2D NAND的思路),但土地有限啊。

现在换成高层公寓(3D NAND),同样占地面,能住的人(存的数据)多好几倍。

对你来说,最直接的感受就是:同样价格的手机或电脑,现在能买到的存储容量大多了。早几年128GB的固态硬盘还算大容量,现在随便一个中端手机都256GB起步了。

而且因为存储密度提高了,单位成本也下来了,你买起来更划算。

还有就是速度。新技术往往伴随着性能提升,比如美光232层的NAND数据传输速率比前代提高了50%-3。这意味着文件拷贝更快、游戏加载时间更短、手机拍照连拍缓存更大。

虽然你可能不知道什么是“3D NAND”,但当你享受到又大又快的存储设备时,背后就有它的功劳。

问题二:现在买固态硬盘,是选TLC还是QLC颗粒的?纠结了好久。

哎呀,这个问题确实让很多人头疼,但别担心,我帮你理理。

先简单说下区别:TLC每个存储单元存3比特数据,QLC能存4比特。QLC容量更大、更便宜,但理论寿命和性能稍逊于TLC。不过注意,我说的是“理论”。

实际用起来怎么样呢?现在主流厂商的QLC技术已经很成熟了。比如三星的V9 QLC NAND,速度能达到3.2 Gbps-10,对绝大多数人来说完全够用。

而且现在QLC硬盘普遍都有pSLC缓存技术,就是划出一部分空间以更高速度运行,你平时拷贝文件、装软件,基本都在这个高速缓存里操作,体验很流畅。

那到底怎么选呢?看你的用途和预算。如果你经常处理超大文件、做视频剪辑,或者就是想要极致性能,TLC可能更适合。

但如果是一般家用、办公、玩游戏,QLC的性价比真的很高。特别是现在大容量固态降价明显,1TB、2TB的QLC硬盘很实惠。

长远看,QLC是趋势,就像当年TLC取代MLC一样。厂商也在不断改进QLC技术,三星就表示QLC将继续存在并不断进步-10。所以不用太纠结,按需选择,现在的存储技术对普通用户都很友好。

问题三:听说国产存储芯片突破了,能跟三星、美光这些大厂比了吗?

这是个让人振奋的话题!咱们的国产存储芯片,特别是长江存储,进展真的很快。

首先直接回答:在技术层面,国产3D NAND闪存颗粒已经进入全球第一梯队。长江存储2020年就研发成功了128层QLC 3D NAND闪存,单颗容量达到1.33Tb-5-6。这是什么概念?当时这在业界是领先水平,而且他们从32层到128层只用了3年时间-5

长江存储还有个独门技术叫Xtacking架构,简单说就是把存储单元和外围电路分开制造再键合在一起,这样能提高性能和密度-6。他们的128层产品在存储密度和传输速度上都达到了业界高水平-6

当然,要全面比肩三星、美光这样的巨头,还需要时间积累。三星计划在2030年前实现1000层NAND-10,美光已经量产232层产品-3,这是国际大厂的技术储备和量产能力。

国产存储的突破意义重大,它打破了垄断,让市场竞争更充分,咱们消费者也能买到更实惠的产品。

目前全球NAND闪存市场主要由三星、铠侠、西部数据、美光、SK海力士这几家主导-9,中国作为最大的NAND闪存需求国,市场份额占全球37%-2,但自给率不足5%-9

国产存储芯片的发展不仅能满足国内庞大需求,对全球产业链也是重要补充。所以,答案是:国产存储芯片在某些领域已经可以媲美大厂,整体上正在快速追赶,未来可期