面对AI数据中心海啸般的存储需求，全球芯片巨头正在一场看不见的垂直竞赛中厮杀，存储单元的层数从十年前的24层猛增至如今的300层以上。
三星电子原定年底量产的400多层V10 NAND已推迟至明年，超低温蚀刻设备的评估仍在艰难进行-2。长江存储则凭借起步即采用先进架构的晶栈技术，在全球NAND厂商普遍缩表的2024年选择逆势扩张-2。
技术路线分化正在全球NAND产业中上演，未来竞争已从单纯的“比层数”向“比架构”悄然转变-2。
平面NAND闪存技术发展了三十多年，制程尺寸持续微缩，但存储单元间的串扰问题越来越严重，产品可靠性面临严峻挑战-1。当工艺节点逼近15纳米时，物理极限如影随形。
相邻存储单元的距离太小，电子会不受控制地窜来窜去，导致数据错误。这就像在越来越挤的地铁车厢里，人们难免互相推搡-6。
二维平面缩微的技术路线走到尽头，行业不得不寻找新出路。从平面结构向三维立体结构的转变成为必然选择，开启了NAND闪存发展的全新纪元-1。
2013年，三星电子量产了世界上首款24层3D NAND产品-6。当时谁也想不到，这场“向上生长”的比赛会如此激烈。十年间，堆叠层数翻了十倍以上，如今300多层已成主流，400层以上的技术正在实验室紧锣密鼓地研发中-2。
堆叠层数增加带来的最直观好处是存储密度革命性提升。但就像盖高楼一样，楼盖得越高，地基承受的压力越大，施工难度也呈指数级增长。
话说回来，这3D NAND挑战啊，真不是简单堆层数就能解决的。当存储孔深度随着层数增加，高深宽比的蚀刻变得极其困难-5。工程师们得在头发丝千分之一粗细的空间里精准操作，难度可想而知。
存储单元之间的干扰问题在三维结构中变得更加复杂，不仅有同一层的横向干扰，还增加了垂直方向的Z向干扰-9。这种多维度的信号串扰，使得数据存储的稳定性面临前所未有的考验。
材料科学成为突破瓶颈的关键。传统的多晶硅沟道面临载流子迁移率低的问题，影响存储单元的读写速度-6。
研究人员正在探索新型沟道材料，如铟镓锌氧化物，这种材料能有效防止漏电流并减少温度变化的影响-8。
在电荷捕获层方面，氮化硅材料被广泛使用，但研究人员发现钛掺杂策略可以减少纯氮化硅中预先存在的浅陷阱，尽管同时也可能引入新的不稳定缺陷-9。
金属栅极材料的选择也至关重要。钨和钼是常见选项，但它们的机械特性不同，会影响整个存储串的应力分布-8。工程师们需要通过精密计算，找到材料与结构之间的最佳平衡点。
面对这些挑战，全球NAND厂商拿出了不同的应对策略，技术路线出现明显分化。三星选择了最激进的路线，在追求400多层超高堆叠的同时，大规模导入混合键合技术-2。
这种混合键合外围单元架构，试图在层数和架构两个维度同时领先-2。
哎呀，激进策略也带来了巨大的工艺挑战。V10 NAND需要在零下60至70摄氏度的超低温环境下进行蚀刻，而传统工艺只需零下20至30摄氏度-2。
三星从设备供应商引进的超低温蚀刻设备在评估中发现难以直接应用于量产，导致量产计划推迟-2。
铠侠则选择了更加稳健的工程路线。其CMOS直接键合阵列架构于2023年开始应用于218层的第八代3D NAND，经过充分验证后，才推进到332层的第十代产品-2。
这种渐进式策略在良率控制方面表现优异，其332层3D闪存不仅位密度提高59%，功耗也显著降低-2。
中国长江存储展现了独特的后发优势。作为行业新秀，长江存储从2018年就开始将名为晶栈的混合键合技术应用于64层NAND，这种起步即采用先进架构的策略，让其反而在工艺成熟度上领跑了一段时间-2。
SK海力士的处境则最为微妙。作为全球第二大NAND厂商，海力士在混合键合技术上起步相对较晚-2。面对竞争对手的加速推进，海力士不得不改变原计划，决定提前从300层开始导入混合键合技术，这是一场与时间的赛跑-2。
有时候觉得这些工程师们真是“头铁”，面对这么多3D NAND挑战，不但没退缩，反而想出了更多创新解决方案。比如，为了应对随着层数增加而加剧的IR压降问题，研究人员发现通过调整沟道应力可以有效提高电子迁移率-8。
他们使用技术计算机辅助设计工具模拟不同材料和工艺条件下的应力分布，寻找最优解决方案-8。这些模拟发现，随着层数增加，沟道应力对导通电流的影响也越来越大-8。
在器件结构方面，铁电存储器技术展现出替代传统电荷存储方式的潜力。通过在存储单元中使用铁电薄膜，可以实现更低的编程电压和更稳定的阈值电压，这两者都有助于减少存储单元之间的干扰-5。
实验已证实这种技术能支持“多值存储”，即将单个存储单元的信息容量从1位提升到3位甚至4位-5。
三维存储阵列本质上具有较大的寄生电容，这会影响产品良率-10。为了缓解这一问题，工程师们提出了阵列控制和分割阵列架构，以提高可靠性和产量，同时减少面积开销、编程时间、每比特能量和阵列噪声-10。
AI大模型的崛起彻底改变了存储需求格局。像GPT-4这样的模型由近2万亿个参数构建，基于约13万亿个标记进行训练-2。未来版本预计规模还将扩大数倍，这种爆炸式的数据需求，直接拉动了企业级SSD和数据中心存储市场的快速增长-2。
与传统消费级应用不同，AI工作负载对存储提出了更加苛刻的要求：更高的容量密度、更快的接口速度、更低的功耗、更好的可靠性-2。
铠侠和西部数据联合开发的332层3D闪存，接口速度达到4.8Gb/s，就是为了满足数据中心对高速存储的需求-2。
市场变化之快令人目不暇接。SK海力士透露，公司今年上半年还在囤积NAND库存，但下半年由于企业级SSD需求激增，工厂已接近满负荷运转-2。这种需求端的剧烈变化，让NAND厂商必须快速提升产能和技术水平，以抓住AI时代的市场机遇。
随着边缘计算和物联网设备的普及，对低功耗、高可靠性存储的需求也在增加。这推动了技术创新向更加多元化的方向发展，不再仅仅追求堆叠层数的增加，而是更加注重整体架构的优化和能效比的提升。
当三星的400多层NAND量产时间一推再推，当铠侠稳健地推进其332层产品，当长江存储凭借晶栈架构在混合键合领域积累优势，全球存储市场的技术竞赛已进入全新阶段-2。
存储单元堆叠层数突破1000层的计划已经提上日程-2。超低温蚀刻、混合键合、新材料应用，这些技术正在重塑3D NAND的未来版图-2。
未来竞争的胜负手，将取决于谁能更好地平衡堆叠层数、架构创新和制造成本之间的三角关系-2。
网友“芯片爱好者”提问：经常看到3D NAND层数不断增加，现在都300多层了，层数是不是可以无限堆下去？有没有物理极限？
答：这个问题提得特别好！层数确实不能无限堆下去，目前已经遇到了多个物理极限。首先，随着层数增加，存储孔的深宽比越来越大，蚀刻工艺变得极其困难-5。就像用一根极长的吸管往深处钻孔，越深越难保持精度。
堆叠层数越高，沟道电阻越大，会导致IR压降问题，影响存储单元的性能-8。再者，垂直方向的干扰会随着层数增加而加剧，这种Z向干扰会影响数据存储的稳定性-9。
材料本身的机械应力也是限制因素，堆叠层数过多会导致结构应力累积，可能引起器件变形或损坏-8。
行业正在寻找突破这些极限的方法，比如通过混合键合技术将存储阵列和外围电路分开制造-2，或采用新型沟道材料提高导电性-8。
目前的共识是，堆叠层数会在未来达到一个相对稳定的平台期，然后通过其他技术创新继续提升存储密度。
网友“技术小白”提问：普通消费者需要关心3D NAND的技术进步吗？对我们买手机、电脑有什么实际影响？
答：当然需要关心，而且影响直接体现在你的日常使用中！3D NAND的技术进步直接决定了你能用上多大容量、多快速度的存储设备。举个例子，十年前智能手机普遍只有16GB或32GB存储，现在512GB甚至1TB都越来越常见，这主要归功于3D NAND层数增加带来的容量提升。
更先进的技术意味着更快的应用加载速度、更流畅的系统体验。比如采用最新3D NAND的固态硬盘，读写速度可能是几年前的数倍，这会显著缩短电脑开机时间、加快文件传输速度。
技术进步也降低了存储成本，让大容量设备更加亲民。还记得五年前1TB固态硬盘的价格吗？现在可能只需要不到一半的价格就能买到更快、更可靠的产品。
对于手机用户来说，更先进的3D NAND技术意味着能在手机上存储更多高清照片、视频，安装更多应用而不担心空间不足。而且随着AI功能在手机上的普及，对高速存储的需求也会越来越大。
网友“行业观察者”提问：中国企业在3D NAND领域处于什么位置？长江存储的晶栈技术有什么特别之处？
答：中国企业在3D NAND领域已经取得了令人瞩目的进展，特别是长江存储。虽然进入市场相对较晚，但通过技术创新实现了“弯道超车”的可能性。长江存储的晶栈技术确实有其独特之处。
简单说，晶栈技术是一种创新的混合键合架构，它将存储单元阵列和外围电路分别制造在两片不同的晶圆上，然后通过数百万个垂直互连通道将它们键合在一起-1。这种设计与传统将外围电路放在存储单元下方的结构完全不同。
这种架构的优势很明显：外围电路可以使用更适合的逻辑工艺制造，而不必承受存储单元制造过程中的高温工艺；存储单元的制造也不受外围电路的限制，两者可以并行开发和优化-2。
晶栈技术使长江存储能够在全球NAND厂商普遍缩减投资的2024年选择逆势扩张，加大产能投入-2。虽然在绝对堆叠层数上可能暂时落后于国际领先企业，但在架构先进性、工艺成熟度和成本控制方面，已经形成了独特的竞争优势-2。
中国在3D NAND领域的进步，为全球存储市场增加了多样性，也为消费者提供了更多选择。
