3C王者

上一章介紹瞭閃存的芯片結構和工作原理，現在我們來總結一下NANDFlash和NORFlash的特點。

首先，由於NORFlash是並聯結構，所以它會用到的位線數量就多，自然相同容量下芯片的面積就更大，成本也就越高。因此，要搞大容量存儲，一般用的都是NANDFlash。

由於NORFlash是並聯，所以能夠按“位”讀取數據，所以它能直接運行程序，而NANDFlash不行。此外，由於NANDFlash數據線和地址線復用，讀數據的速度比NORFlash慢那麼一點點。

NANDFlash的寫入和擦除速度比NORFlash要快很多，執行一個擦除或者寫入操作的時候，NANDFlash大約需4毫秒，NORFlash需要5秒。此外，在寫入數據時，NORFlash采用的是熱電子註入的方式，比NANDFlash有更高的功耗。

在壽命上，NANDFlash的最大擦除次數是100萬次，NORFlash是10萬次。此外，NANDFlash可以標記壞塊，遇到壞塊可以跳過後繼續使用，NORFlash一旦損壞就報廢瞭。

從上面可以看出來，NORFlash的特點是讀取速度較快，寫入和擦除速度慢，能實現片上程序運行，容量較小，壽命較短。這些特點導致NORFlash最輝煌的年代是功能機時代，功能機功能簡單，對存儲容量要求不高，寫入和擦除的需求也比較少，主要的需求就是讀數據。

功能機對NORFlash在2006年達到最後的巔峰，這一年市場規模超過瞭70億美金。但隨著從2005年智能手機開始進入自己的時代，NORFlash也漸漸淡出歷史的舞臺，到2018年銷售額已經跌落到瞭25.96億美元。

正是因為NORFlash市場的衰敗，國際大廠逐步淡出這一領域。2017年，NORFlash巨頭美光和賽普拉斯先後宣佈未來逐步退出中低容量的消費電子和PC市場，轉而專註於工業控制和汽車電子市場。

巨頭的退出導致NORFlash的市場格局出現瞭變化，一是行業集中度變低，二是給瞭中小玩傢進入市場的機會。

2018 年，旺宏（臺灣）、賽普拉斯（美國）、華邦（臺灣）、美光（臺灣）和兆易創新（中國）分別占瞭NORFlash市場規模的 21%、21%、21%、18%和11%。截至2012年一季度，這個市場格局又有瞭變化，旺宏占26%，華邦占25%，兆易創新占18%，賽普拉斯11.5%，美光退出前四強。

我們可以看到這裡市占率增長最快的是來自於中國的兆易創新，增長瞭7個點左右。看到這裡可能就有讀者表示：都是巨頭不要的市場我們才進來，太慘瞭。

但實際情況卻並非這麼慘，近年來隨著物聯網的興起，NORFlash又找到瞭新的用武之地。

物聯網設備的特點是具備一定的計算能力和網絡連接功能，與計算機和手機相比，物聯網設備的系統相對簡單、處理的數據也比較少、對存儲容量要求不高、對成本的要求比較高。

這個時候如果采用傳統的處理器+DRAM+NANDFlash這種架構在成本上就很不劃算瞭，DRAM當內存貴啊。用NORFlash取代DRAM+NANDFlash就能減少一顆芯片，而且NORFlash顯然比DRAM便宜。

因此，如TWS耳機、手機顯示屏AMOLED和TDDI技術、車載電子、智能傢電等領域成為瞭NORFlash的新興市場。預計未來NORFlash的市場規模將會有每年10%左右的增長。

下面講NANDFlash，它寫入和擦除快、大容量成本效益高，主要用於手機、筆記本等設備的存儲。市場規模比NORFlash大得多，畢竟用於存儲嘛，容量要大才行。2019年的市場規模在450-460億美金左右。

我們來看一下NANDFlash是如何一步一步成為半導體存儲器中的老二的。

1987年，東芝做出來第一顆NANDFlash，趕上瞭好時候。因為1988年到1999年是手機和便攜式電腦快速發展的年份，NANDFlash搭上瞭這班紅利車。到瞭2000年，由於固態硬盤的興起，又直接讓NANDFlash繼續大放光彩瞭十年。

市場好，自然進入者就多，到2005年做閃存的廠商已經從1995年的不到15傢增長到超過28傢。競爭激烈導致瞭慘烈的價格戰，2005年閃存的價格大幅度下降，競爭環境變得惡劣。這一年三星率先采用 70nm 制程量產 NANDFlash。

面對激烈的市場競爭，三星繼續采取技術驅動的策略，2012年，又率先推出瞭第一代3D NANDFlash芯片。閃迪、東芝、英特爾、西部數據等迅速跟進，從此，NANDFlash進入3D時代。

這裡簡單講一下3D NANDFlash。

隨著晶圓物理極限不斷逼近，單顆die中能容納的存儲單元已經接近極限瞭。這裡的die是指晶圓片上的一小塊，封裝後成為一個閃存顆粒，也就是單顆“裸片”。

要想在單顆die上容納更多的存儲單元那就必須在技術上進行創新。2D NANDFlash在單die中是按照二維平面的模式排列成矩陣的，那麼3D NANDFlash就是在二維平面的基礎上，在垂直面上也進行存儲單元的堆疊。這就相當於以前一塊地蓋的是平房，現在蓋成瞭樓房，房間數就多瞭。這種3D的方式，讓單位面積的存儲容量獲得瞭飆升。

這裡補充幾個名詞解釋，雖然昨天的文章已經提到過。

根據NANDFlash中電子單元密度的差異，又可以分為SLC（單層存儲單元）、MLC（雙層存儲單元）、TLC(三層存儲單元)以及QLC（四層存儲單元）。

SLC（單層存儲），這種是單層電子結構，存儲單元的電壓被分為兩個等級，用來表示0 和1的狀態。SLC的一個存儲單元可以存儲1個bit。壽命長、讀寫次數在10萬次以上，成本高，多用於企業級高端產品。

MLC（雙層存儲），通過高低電壓構建出雙層電子結構，存儲單元的電壓被分為4個等級，分別表示00、01、10和11四個狀態，一個存儲單元能存儲2bit。壽命也還可以，讀寫次數在1萬次或者以上，成本在SLC 的一半左右，多用於消費級的高端產品。

TLC（三層存儲），這是MLC的延伸，存儲單元的電壓被分為8個等級，一個存儲單元能 存儲3bit。成本約為SLC的三分之一，使用壽命較低，大概能讀寫5000次左右。這是目前最主流的產品。

QLC（四層存儲Quad-Level Cell），或者叫4bit MLC，成本更低壽命也更短。

總的來說NandFlash的單個存儲單元存儲的bit越多讀寫性能越差、壽命越短、成本越低。

重點來瞭，上面的單層、雙層、三層和四層是指NAND Flash中最小存儲單元中的電子結構，不是3D NANDFlash堆疊的層數，雖然都是“層”但是完全不同的概念哈。

美光2020年11月份開始量產全球首個176層的3D NANDFlash，與上一代128層的相比，讀取延遲和寫入延遲改善瞭35%，最大傳輸速率1600MT/s，提高瞭33%，混合工作負載性能提高瞭15%，緊湊設計讓裸片尺寸減小約30%。

SK海力士緊隨其後，2020年11月份給客戶提供瞭176層 TLC（三層存儲） NANDFlash樣片。

英特爾在2020年底推出采用144層TLC（三層存儲）、QLC（四層存儲） 3D NAND。

三星於2019年量產瞭第六代3D NANDFlash，132層。第七代預計在2021年量產，使用“雙堆棧”技術，預計是176層。

2020年4月，國內的長江存儲發佈瞭兩款128層3D NANDFlash產品，分別是容量為1.33Tb的128層QLC（四層存儲）和容量為512G的128層TLC（三層存儲）。預計今年下半年進行192層 3D NANDFlash的中試。

2016 年 3 月 28 日國傢存儲器基地在武漢啟動，同年 7 月 26 日，長江存儲成立，預計總投資1600億。

2019年9月，長江存儲量產瞭64層 3D NANDFlash，後面直接跳過96層搞的128層，還搞出來瞭，由此可見咱們國傢在3D NANDFlash上與國外巨頭的技術差距正在不斷縮小。希望192層的研發和生產一切順利。

從制程上來說，NANDFlash和DRAM一樣，采取1X nm/1Y nm/1Z nm 進行工藝技術的度量。1Xnm，即16nm-19nm階段；1Ynm，即14nm-16nm階段；1Znm，即12-14nm階段。

不過，與DRAM不同，由於NANDFlash的基本單元結構中不需要制作電容，所以可以采用制程工藝相對簡單的3D堆疊技術作為發展方向，這也是為什麼我們看NANDFlash的新品發佈一般講得比較多的是多少多少層。

全球3D NANDFlash的產量在2017年第四季度就已經超過2D NANDFlash，3D技術是未來主要的發展方向。也是因此，NANDFlash對最先進的光刻機依賴程度沒有那麼緊迫，所以在當前緊張的全球環境下，國內發展3D NANDFlash機會還是比較大的。

看一下NANDFlash的市場格局，2019年，三星、鎧俠（東芝）、西部數據（閃迪）、美光、SK 海力士、英特爾分占市場份額的 33.5%、18.9%、14.3%、13.5%、9.7%和 9.5%，前六名總計市場份額高達 99.4%，是一個高度集中的市場。不過中國的長江存儲有望在2021年底搶占7%的市場份額。

與NORFlash針對物聯網市場有廣泛的下遊應用場景不同，NANDFlash的下遊應用主要集中在手機和固態硬盤上，占比分別為48%和43%。也就是說，手機和固態硬盤的出貨量會直接影響NANDFlash市場需求。