电影《疯狂的麦克斯4:狂暴之路》高清版可以轻松存上3000部,指甲盖大小的芯片空间里藏着超过9000张自拍照和15000首歌曲,这不是科幻小说的描述,而是64层3D NAND技术带来的现实。
那个曾经像停车场般平铺的2D NAND闪存,把数据单元格简单排列在一个平面上的时代,随着摩尔定律极限的逼近正逐渐消失-1。

3D NAND如同建造数据摩天大楼,将存储单元一层层垂直堆叠起来,在同样“占地面积”下,容纳的数据量呈几何级数增长-4。

曾经,NAND闪存的发展就像是在一张有限的纸上写越来越小的字。三星在2013年找到了突破口,推出了名为V-NAND的解决方案,决定把存储单元垂直堆叠在一起-1。
这种方法可以获得更大的密度,从而为用户提供更多存储空间。
第一年,该公司在一颗芯片上堆叠了24层,2014年达到了36层。而那个令人瞩目的16TB SSD则堆叠了48层-1。
在美光的描述中,64层3D NAND的出现意味着单个存储芯片可以提供64GB存储容量,能存储超过9000张社交媒体照片、10小时高清视频或超过15000首歌曲-2。
理解3D NAND技术最形象的比喻就是房地产。为了在每英亩土地上容纳更多人口,方法从缩小街道以建造更多房屋转变为建造摩天大楼-2。
长江存储的专家同样用立体停车场来类比这项技术:过去的存储芯片是平面的,相当于地面停车场,而三维闪存芯片是立体的,就像是立体停车场-4。
在更小的空间内容纳更高存储容量,带来显著的成本节约和能耗降低-7。西数及其合作伙伴东芝将其“垂直3D堆叠技术”称作Bit Cost Scaling(简称BiCS)-7。
3D NAND的发展历程是一部层数竞赛史。三星2014年率先量产3D闪存芯片,最初只堆叠了32层,但已将存储位元从MLC改进到了TLC-7。
随后,东芝在2016年推出了48层堆叠3D闪存。影驰作为群联在大陆的唯一合作伙伴,也在2017年推出了搭载东芝BiCS 3D闪存的SSD产品-6。
2017年成为64层3D NAND量产的关键年份,西数宣布开始生产业内最密集的64层3D NAND闪存芯片-7。
当三星推出16TB SSD时,行业内并不感到意外,因为三星数年前就为此奠定了基础-1。但这场竞争才刚刚开始。
V-NAND并不是当时唯一的垂直NAND技术。英特尔和美光在研究非常相似的技术,东芝公司已经涉足3D NAND,这些公司都已经各自准备好了系统-1。
三星虽然抢到了头彩,但这是一场长期性的比赛。更高层数的3D NAND技术还在不断突破,如今的堆叠层数已远远超过64层-3。
美光通过引入“阵列下CMOS”技术,在3D NAND产品中实现了更高效的架构设计-2。
2019年9月,长江存储宣布开始量产基于Xtacking架构的64层256Gb TLC 3D NAND闪存-4。这是我国自主研发生产的首款64层3D NAND闪存-4。
这个突破意味着什么?多年来,三星、镁光、SK海力士和东芝等几家国际大厂几乎垄断了全球的NAND Flash存储芯片市场供应-4。
长江存储的64层芯片“大楼”可以容纳的数据房间以几何级数增长。他们的32层芯片在微观世界里就像是一栋32层的楼房,如果换算成一栋楼里的“房间”,足足有640亿个“房间”之多-4。
随着个人、专业、手机和数据中心等应用的存储需求不断增长,3D NAND技术无疑将继续发展以满足市场需求-8。
如今回头来看,64层3D NAND容量16T的实现标志着闪存技术的一个里程碑,它证明了通过垂直堆叠的方式,能够在有限物理空间内实现海量数据存储。
高带宽闪存技术正试图通过堆叠多层3D NAND芯片来实现TB级容量-3。从市场趋势看,3D NAND从2016年开始应用在SSD产品,估计在2019-20年,主导了NAND Flash市场-6。
像三星16TB SSD这样的产品,现在可能主要用在服务器上,普通用户最有可能接触到的情况是使用的云服务恰好由它支持-1。但用不了多久,它们就会被PC采用,甚至是被笔记本采用-1。
当三星16TB SSD的新闻首次出现时,这个数字令人瞠目结舌,让人一下子难以回过神来-1。西数已开产首批64层512Gb的3D NAND芯片,并已用到一片外形如同口香糖般大小、但容量高达3.3TB的固态硬盘驱动器上-9。
在武汉长江存储的洁净室里,64层3D NAND芯片正从流水线上源源不断地产出。这些比指甲还小的芯片内部,垂直堆叠的存储单元正安静地等待着承载世界的数据记忆。
未来,随着堆叠层数进一步增加,单颗芯片容量还将继续突破,推动整个存储行业向更高密度、更低成本的方向发展。