Hello，大家好，這是《探索“芯”詞典》欄目的第一篇，本欄目將從半導(dǎo)體技術(shù)詞匯入手，在介紹概念的同時(shí)，也說(shuō)一說(shuō)技術(shù)背后的故事。本篇文章要說(shuō)的詞是“NAND”，諧音“難得”。說(shuō)到這個(gè)“難得”，那就是一把辛酸淚了。上個(gè)月東芝位于日本四日市的5座NAND閃存廠發(fā)生了停電意外，雖然在約13分鐘后恢復(fù)正常供電，但停工了5天，而且有3座晶圓廠要到本月中旬才能恢復(fù)產(chǎn)。

此后，日本政府宣布，從7月4日起開始管控向南韓出口3種生產(chǎn)半導(dǎo)體、智能手機(jī)與面板所需的關(guān)鍵材料，造成存儲(chǔ)器產(chǎn)業(yè)下游模組廠出現(xiàn)提高報(bào)價(jià)狀況。

當(dāng)然，目前還難以衡量東芝NAND閃存廠停電事件以及日本對(duì)韓國(guó)制裁事件對(duì)NAND閃存市場(chǎng)到底影響有多大，但發(fā)展形勢(shì)不好判斷，外界分析師用一個(gè)詞概括——市場(chǎng)的不確定性。那么，這個(gè)“難得”的“NAND”究竟是怎樣的存在？

誕生

NAND要從哪里開始講起呢？話說(shuō)當(dāng)年，盤古手握……啊不對(duì)，該技術(shù)并沒(méi)有久遠(yuǎn)到那么夸張。最遠(yuǎn)不過(guò)從1943年說(shuō)起，那年舛岡富士雄在日本群馬縣高崎市出生了。

1971年，舛岡富士雄在日本東北大學(xué)拿到工程系電子工程專業(yè)的博士學(xué)位，隨后拿到了東芝的offer。起初在半導(dǎo)體的研究開發(fā)部門，1977年被調(diào)至營(yíng)業(yè)部門。不過(guò)那時(shí)舛岡富士雄顯然不是做銷售的料，對(duì)IBM和英特爾等開展了各種推銷活動(dòng)，卻賣不出去貨。

東芝心想，算了還是讓這哥們干技術(shù)吧。一年后，舛岡富士雄被調(diào)離營(yíng)業(yè)部門轉(zhuǎn)入半導(dǎo)體工廠的制造技術(shù)部門。上帝給你關(guān)了銷售才能這個(gè)門，偷偷給你開了技術(shù)大牛這扇窗。舛岡富士雄在技術(shù)做出了不少卓越貢獻(xiàn)。

過(guò)了3、4年，舛岡富士雄受ULSI研究中心的當(dāng)時(shí)研究中心所長(zhǎng)武石喜幸賞識(shí)，被調(diào)回研發(fā)部。并在1984年首先提出了快速閃存存儲(chǔ)器ULSI的概念。然而，這并未得到東芝及日本社會(huì)的重視。

但是，英特爾看到了這項(xiàng)發(fā)明的潛力，與東芝簽訂了交叉授權(quán)許可協(xié)議，成立了300人的閃存事業(yè)部。當(dāng)時(shí)英特爾技術(shù)制造本部副社長(zhǎng)、香港出身的Stefan Lai評(píng)價(jià)稱，英特爾改良了東芝發(fā)明的NOR，并成功實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)和低價(jià)格，同時(shí)炫耀著自己豪宅，贊美“這就是美國(guó)夢(mèng)”。

盡管東芝發(fā)明了NOR，但英特爾先行將其發(fā)展起來(lái)。舛岡富士雄并不服氣，在1987年又提出NAND的概念，并且和10位各具特色的同事共同研發(fā)，僅3年時(shí)間就獲得成功，并準(zhǔn)備推動(dòng)新發(fā)明實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

由于他的貢獻(xiàn)，東芝獎(jiǎng)勵(lì)了他一筆幾百美金的獎(jiǎng)金和一個(gè)位置很高卻悠閑的職位。做為一個(gè)工程師，他忍受不了這種待遇，不得不辭職進(jìn)入大學(xué)繼續(xù)科研。

東芝公司的短視很快招來(lái)了市場(chǎng)的懲罰。Flash市場(chǎng)迅速擴(kuò)張，在90年代末期就達(dá)到數(shù)百億美金的市場(chǎng)規(guī)模，Intel是這個(gè)市場(chǎng)的霸主，而東芝公司只享有很小的份額（NAND，NOR幾乎沒(méi)有）。在很長(zhǎng)一段時(shí)間，東芝公司甚至不承認(rèn)NOR flash是他發(fā)明的，說(shuō)是Intel發(fā)明的。直到IEEE在1997年頒給富士雄特殊貢獻(xiàn)獎(jiǎng)后才改口。

富士雄覺(jué)得自己的貢獻(xiàn)被東芝公司抹殺了，他憤然于2006年起訴了公司，并索要10億日元的補(bǔ)償。最后他和東芝公司達(dá)成和解，得到8700萬(wàn)日元（合758,000美元）。

概念

Flash主要有兩種NOR Flash和NADN Flash。

NOR flash是Intel公司1988年開發(fā)出了NOR flash技術(shù)。NOR的特點(diǎn)是芯片內(nèi)執(zhí)行（XIP, eXecute In Place），這樣應(yīng)用程序可以直接在flash 閃存內(nèi)運(yùn)行，不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中。NOR的傳輸效率很高，在1～4MB的小容量時(shí)具有很高的成本效益，但是很低的寫入和擦除 速度大大影響了它的性能。

NAND Flash內(nèi)部采用非線性宏單元模式，為固態(tài)大容量?jī)?nèi)存的實(shí)現(xiàn)提供了廉價(jià)有效的解決方案。Nand-flash存儲(chǔ)器具有容量較大，改寫速度快等優(yōu)點(diǎn)，適用于大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，因而在業(yè)界得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，如嵌入式產(chǎn)品中包括數(shù)碼相機(jī)、MP3隨身聽記憶卡、體積小巧的U盤等。

從存儲(chǔ)原理來(lái)看，兩種閃存都是用三端器件作為存儲(chǔ)單元，分別為源極、漏極和柵極，與場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理相同，主要是利用電場(chǎng)的效應(yīng)來(lái)控制源極與漏極之間的通斷，柵極的 電流消耗極小，不同 的是場(chǎng)效應(yīng)管為單柵極結(jié)構(gòu)，而 FLASH 為雙柵極結(jié)構(gòu)，在柵極與硅襯底之間增加了一個(gè)浮 置柵極。

浮置柵極是由氮化物夾在兩層二氧化硅材料之間構(gòu)成的，中間的氮化物就是可以存儲(chǔ)電荷的 電荷勢(shì)阱。上下兩層氧化物的厚度大于 50 埃，以避免發(fā)生擊穿。

此外，根據(jù)NAND閃存中電子單元密度的差異，又可以分為SLC（單層次存儲(chǔ)單元）、MLC（雙層存儲(chǔ)單元）、TLC(三層存儲(chǔ)單元)以及QLC（四層存儲(chǔ)單元）此四種存儲(chǔ)單元在壽命以及造價(jià)上有著明顯的區(qū)別。

SLC（單層式存儲(chǔ)），單層電子結(jié)構(gòu)，寫入數(shù)據(jù)時(shí)電壓變化區(qū)間小，壽命長(zhǎng)，讀寫次數(shù)在10萬(wàn)次以上，造價(jià)高，多用于企業(yè)級(jí)高端產(chǎn)品。

MLC（多層式存儲(chǔ)），使用高低電壓的而不同構(gòu)建的雙層電子結(jié)構(gòu)，壽命長(zhǎng)，造價(jià)可接受，多用民用高端產(chǎn)品，讀寫次數(shù)在5000左右。

TLC（三層式存儲(chǔ)），是MLC閃存延伸，TLC達(dá)到3bit/cell。存儲(chǔ)密度最高，容量是MLC的1.5倍。造價(jià)成本最低，使命壽命低，讀寫次數(shù)在1000~2000左右，是當(dāng)下主流廠商首選閃存顆粒。

QLC則是Quad-Level Cell，或者叫4bit MLC，電壓從0000到1111有16種變化，容量增加了33%，但是寫入性能、P/E壽命會(huì)再次減少。

隨著時(shí)代發(fā)展，NAND閃存顆粒的技術(shù)突飛猛進(jìn)，并且逐漸形成了幾大超大規(guī)模的專業(yè)閃存顆粒制造商，這些能夠直接切割晶圓和分離出NAND閃存顆粒的廠商，一般稱之為閃存顆粒原廠。

隨著晶圓物理極限的不斷迫近，固態(tài)硬盤上單體的存儲(chǔ)單元內(nèi)部的能夠裝載的閃存顆粒已經(jīng)接近極限了，更加專業(yè)的術(shù)語(yǔ)表述就是單die能夠裝載的顆粒數(shù)已經(jīng)到達(dá)極限了，要想進(jìn)一步擴(kuò)大單die的可用容量，就必須在技術(shù)上進(jìn)行創(chuàng)新。

于是，3D NAND技術(shù)也就應(yīng)運(yùn)而生了。

2D NAND真實(shí)的含義其實(shí)就是一種顆粒在單die內(nèi)部的排列方式，是按照傳統(tǒng)二維平面模式進(jìn)行排列閃存顆粒的。

相對(duì)應(yīng)的，3D NAND則是在二維平面基礎(chǔ)上，在垂直方向也進(jìn)行顆粒的排列，即將原本平面的堆疊方式，進(jìn)行了創(chuàng)新。

利用新的技術(shù)(即3D NAND技術(shù))使得顆粒能夠進(jìn)行立體式的堆疊，從而解決了由于晶圓物理極限而無(wú)法進(jìn)一步擴(kuò)大單die可用容量的限制，在同樣體積大小的情況下，極大的提升了閃存顆粒單die的容量體積，進(jìn)一步推動(dòng)了存儲(chǔ)顆?？傮w容量的飆升。

現(xiàn)狀

今年5月份，全球市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)集邦咨詢半導(dǎo)體研究中心 ( DRAMeXchange ) 發(fā)布了 2019 年第一季度 NAND Flash 品牌商營(yíng)收與市占排名。

其中，三星目前仍是營(yíng)收最高的 NAND Flash 廠商，盡管較上季下滑 25%，但依然達(dá)到了 32.29 億美元。同時(shí)市場(chǎng)份額保持在 29.9%，排名第一。SK 海力士排名第二，第一季 NAND Flash 營(yíng)收衰退 35.5%，為 10.23 億美元。東芝第三，第一季營(yíng)收達(dá) 21.8 億美元，季減 20.2%。

西數(shù)第四，營(yíng)收達(dá) 16.10 億美元，季減 25.9%。美光第五，營(yíng)收季衰退 18.5%，達(dá)到 17.76 億美元。英特爾排名第六本季營(yíng)收來(lái)到 9.15 億美元，較上季衰退 17.3%。

此外，DRAMeXchange不久前發(fā)文表示，中國(guó)NAND廠商長(zhǎng)江存儲(chǔ)器技術(shù)公司已經(jīng)將其64層X(jué)tacking芯片樣品提交給各潛在客戶與控制器供應(yīng)商，主要銷售重點(diǎn)指向中國(guó)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。YMTC方面正在其位于武漢的新工廠壓縮32層芯片的生產(chǎn)，計(jì)劃為接下來(lái)的64層產(chǎn)品提供產(chǎn)能空間。公司還有意在2020年轉(zhuǎn)向128層NAND以進(jìn)一步降低產(chǎn)品成本并提升存儲(chǔ)容量出貨量。