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V-NAND

Vertical NAND

概念 ID
vertical-nand
更新时间
2026-05-29
来源数量
待补

V-NAND (Vertical NAND / 三维闪存)

3 秒看懂

V-NAND = 把闪存存储单元从平面”摊煎饼”变成立体”摞煎饼”,通过垂直堆叠数十至数百层存储层来突破平面 NAND 的物理极限,是当今固态存储(SSD)的核心底层技术。 三星以”V-NAND”为商标名,行业通称 3D NAND

3 分钟产业解释

核心问题:为什么平面 NAND 走不下去了?

平面 NAND(Planar NAND)依赖光刻微缩来提升存储密度——从 2000 年代初的 ~120nm 一路缩至 2014 年前后的 ~15nm。然而在 15nm 节点以下,单元之间的电荷耦合干扰急剧增大、信噪比恶化、耐久性下降,制程微缩带来的成本收益几乎归零。

解法:向上生长

3D NAND 放弃了更精细的光刻,转而采用相对宽松的工艺节点(约 40-50nm 等效),将存储单元沿垂直方向层层堆叠。层数成为密度提升的主要驱动力——每翻一倍层数,单位面积存储比特数近似翻倍(不考虑 CMOS 外围电路占比)。

产业格局速览

维度要点
核心玩家三星、SK 海力士、美光、铠侠/西部数据、长江存储(YMTC)
三星商标V-NAND(行业第一个量产 3D NAND 的厂商,2013 年)
铠侠/WD 商标BiCS FLASH
SK 海力士4D V-NAND(CMOS-under-array 变体)
全球 NAND 市场规模约 500-700 亿美元/年(随周期波动剧烈,[行业估算])
主流产品形态SSD(消费级/企业级)、嵌入式存储(手机 UFS)、存储卡

15 分钟专家深入

1. 为什么说 V-NAND 是存储行业最重要的范式切换?

从”摩尔定律的微缩竞赛”转向”工艺工程的堆叠竞赛”。

  • 平面 NAND 的瓶颈:光刻精度的经济极限(EUV 用于 NAND 存储层的成本过高)、Cell-to-Cell 电荷耦合干扰、氧化层陷阱密度增大导致可靠性恶化。
  • 3D NAND 的逻辑:用更大的单元尺寸(降低工艺难度)换取纵向堆叠能力,同时每个单元的氧化层更厚、存储层更可靠,耐久性(P/E Cycles)反而优于最后一代平面 NAND。
  • 经济拐点:当堆叠层数带来的 bit 密度增益超过堆叠本身的工艺成本增长时,3D NAND 的 bit 成本就低于平面 NAND。这个交叉点在 48-64 层时期被验证。

2. V-NAND 的核心架构概念

三星的 V-NAND 采用 Charge Trap Flash(CTF,电荷俘获型) 架构,以硅氮化物(Si₃N₄)作为电荷存储层(而非传统的多晶硅浮栅)。CTF 的优势在于单元之间天然隔离更好、电荷泄漏更小,更适合高层数堆叠。

注意区分:早期 Intel/Micron 联盟的 3D NAND 采用浮栅(Floating Gate)工艺;美光在 128 层转向 CTF,而 Intel/Solidigm 仍沿用浮栅。CTF 已成为行业主流。

3. 关键技术挑战

挑战说明
高深宽比刻蚀100+ 层堆叠要求刻蚀深宽比达 40:1 甚至更高,对刻蚀设备和工艺控制要求极高
多层薄膜均匀性氧化物/氮化物交替层(O/N stack)在数十层厚度上需保持纳米级均匀性,严重依赖 ALD(原子层沉积)
多 Deck 串接单一 Deck(一次刻透全部层数)的深宽比物理极限约 100-130 层左右;更高层数需采用 String Stacking(多 Deck 堆叠),增加了对齐精度和工艺复杂度
字线电阻层数越多、字线(Word Line)越长,RC 延迟增大,需要引入更好的金属化方案
单元间干扰垂直方向相邻层和水平方向相邻串之间的电荷耦合仍需优化

4. 市场竞争的”层数军备竞赛”

3D NAND 的竞争主要围绕层数展开——它直接决定了单位面积的 bit 密度和 bit 成本。各厂商的进程大致如下(注:以下层数为公开发布信息,各代际命名体系不同,仅作纵向参考):

时间线三星(V-NAND)SK 海力士美光铠侠/WD(BiCS)
~201324L(1代)
~2014-1532L / 48L36L / 48L32L / 48L48L(BiCS2)
~2016-1764L72L64L64L(BiCS3)
~2018-199xL96L / 128L96L / 128L96L / 112L(BiCS5)
~2020-21128L / 176L176L176L112L / 162L(BiCS6)
~2022-23236L(8代)238L232L218L(BiCS8)[估算]
2024+2xxL+(9代)321L(已发布)300L+(已发布)更高世代规划中

标注:上表层数信息综合自各厂商公开发布会/财报,具体命名代际因厂商不同无法横向直接对比。“x”表示记忆模糊的数字,以厂商官方为准。


技术原理

存储单元结构

V-NAND 单串结构(垂直切面示意)

          Drain (位线, Bit Line)
              │
          ┌───┴───┐
          │  DSL   │  ← Drain Select Gate(漏端选择栅)
          └───┬───┘
       ┌──────┼──────┐
       │  ┌───┴───┐  │
       │  │ WL-N  │  │  ← 字线 N(最顶层 Word Line / Control Gate)
       │  │ Cell  │  │     ┌─────────────────────────┐
       │  │       │  │     │ Oxide / Nitride / Oxide │
       │  └───┬───┘  │     │ (ONO = 隧穿层/俘获层/阻挡层)│
       │  ┌───┴───┐  │     └─────────────────────────┘
       │  │WL-N-1 │  │     中间:多晶硅沟道 (Poly-Si Channel)
       │  │ Cell  │  │
       │  └───┬───┘  │
       │     ...     │
       │  ┌───┴───┐  │
       │  │  WL1  │  │  ← 字线 1(最底层)
       │  │ Cell  │  │
       │  └───┬───┘  │
       └──────┼──────┘
          ┌───┴───┐
          │  SSL   │  ← Source Select Gate(源端选择栅)
          └───┬───┘
              │
          Source (共源线, Common Source Line)

关键物理机制

1. 编程(Program)— Fowler-Nordheim 隧穿

  • 在控制栅(Control Gate / Word Line)施加高正电压(约 15-20V,具体取决于工艺)
  • 电子从沟道经隧穿氧化层(~5-7nm SiO₂)进入氮化硅俘获层(Si₃N₄)
  • 被俘获的电子改变单元的阈值电压(Vth),编码数据

2. 擦除(Erase)— 带间隧穿(BTBT)或反向 FN 隧穿

  • 以 Block 为单位擦除(一个 Block 包含同一组串的所有存储页)
  • 施加反向电压使电子从俘获层返回沟道

3. 读取(Read)

  • 在 Word Line 施加特定参考电压
  • 检测沟道是否导通,从而判断存储的 Vth 级别

多值存储(MLC/TLC/QLC)

类型每单元比特数Vth 级别数典型应用
SLC1 bit2缓存、高可靠性场景
MLC2 bits4企业级 SSD(逐渐被 TLC 取代)
TLC3 bits8主流消费级/企业级 SSD
QLC4 bits16大容量、读密集型场景(如 AI 数据集存储)
PLC5 bits32研发阶段,尚未量产

关键权衡:每增 1 bit/cell,密度提升约 33%(TLC→QLC),但编程时间延长、耐久性下降(TLC 约 1000-3000 P/E cycles,QLC 约 100-1000 P/E cycles,因工艺代际和工作负载差异较大 [厂商规格书])。

架构变体:CMOS 的摆放位置

方案A:CMOS 在阵列旁边(Peripheral-Away)
┌────────────────────────────────────┐
│  NAND Array (存储阵列)              │
│  ████████████████████████████████  │  ← 占据芯片大部分面积
│  ████████████████████████████████  │
└────────────────────────────────────┘
│  CMOS 外围电路  │  ← 行/列解码器、页缓冲器等
                  ↑ 芯片面积利用率较低

方案B:CMOS 在阵列下方(CMOS-Under-Array, CuA)
┌────────────────────────────────────┐
│  NAND Array (存储阵列)              │
│  ████████████████████████████████  │
│  ████████████████████████████████  │
│  ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─  │
│  CMOS 外围电路(埋在阵列正下方)     │  ← 面积效率更高
└────────────────────────────────────┘

CuA 可将芯片面积缩小 15-30% [行业估算],
但对制造工艺(层间对准、热预算)要求更高。
  • SK 海力士较早推出 CuA 并称之为”4D V-NAND”
  • 三星在其高世代 V-NAND 中也引入了 CuA 技术 [公开报道]

多 Deck(String Stacking)

当层数超过单次刻蚀的深宽比极限时,厂商采用 多 Deck 方案:

单 Deck(≤~130层可一次刻透)       双 Deck(>130层分两次堆叠刻蚀)

  ┌──────────────┐              ┌──────────────┐
  │ ║ ║ ║ ║ ║ ║  │              │ ║ ║ ║ ║ ║ ║  │  ← Deck 2
  │ ║ ║ ║ ║ ║ ║  │              │ ║ ║ ║ ║ ║ ║  │
  │ ║ ║ ║ ║ ║ ║  │              ├──────────────┤  ← 连接层 / 底部 Deck 1
  │ ║ ║ ║ ║ ║ ║  │              │ ║ ║ ║ ║ ║ ║  │
  │ ║ ║ ║ ║ ║ ║  │              │ ║ ║ ║ ║ ║ ║  │
  └──────────────┘              │ ║ ║ ║ ║ ║ ║  │
                                └──────────────┘

多 Deck 的代价:上下 Deck 的沟道孔必须精确对齐(overlay accuracy 要求极高),连接层增加工艺步骤,且可能出现上下 Deck 之间的性能/可靠性差异。


技术演进史

时期里程碑意义
2007年东芝(后为铠侠)发布 BiCS 概念论文首次提出 3D NAND 的可量产架构
2013年三星量产 24L V-NAND(1代)行业首个商用 3D NAND,采用 CTF
2014-15年32L→48L 快速迭代各厂商纷纷进入 3D NAND 赛道
2016-17年64L 量产,成本首次低于同期平面 NAND3D NAND 确立绝对主导地位,平面 NAND 逐步退出
2018-19年96L+ 进入主流,TLC 成为主流单元类型QLC 开始在消费级产品中应用
2020-21年128-176L 竞赛,CuA 架构出现芯片面积效率显著提升
2022-23年232-238L 量产多 Deck 成为标配,深宽比刻蚀挑战加剧
2024+300L+ 发布/量产,PLC 在研发逼近物理极限,行业探索新方向(如 DRAM-like 架构、3D DRAM 等)

技术路线对比

3D NAND vs. 末代平面 NAND

维度平面 NAND(~15nm 末代)V-NAND / 3D NAND(以 100+ 层为例)
等效工艺节点15nm 以下~40-50nm(宽松光刻)
密度提升路径光刻微缩堆叠层数
单元可靠性差(氧化层极薄,干扰大)好(单元尺寸大,氧化层厚)
P/E Cycles (TLC)~500-1000~1500-3000+(代际差异大)
芯片面积效率CuA 架构下高
制造复杂度光刻成本高刻蚀/沉积成本高
bit 成本趋势微缩收益归零每代层数提升仍有显著成本下降

三星 V-NAND vs. 竞品架构差异

维度三星 V-NAND铠侠/WD BiCSSK 海力士 4D V-NAND美光 3D NAND
电荷存储CTF (SiN)CTFCTF早期 FG→后转 CTF
CMOS 位置早期在旁→后引入 CuA混合方案CuA(较早)CuA
主要差异化最早量产、产能最大、工艺成熟度高BiCS 架构概念原创者4D 命名强调 CuA 优势高密度、成本竞争力
最新层 [未充分披露精确数字]2xxL+218L+321L300L+

上下游

上游(设备/材料)                     中游(制造)                  下游(终端应用)
┌────────────────────┐        ┌─────────────────┐        ┌──────────────────────┐
│ 刻蚀设备:           │        │ 三星             │        │ 消费电子(手机UFS、   │
│  LAM Research       │        │ SK 海力士         │        │  消费级SSD)          │
│  TEL (东京电子)      │  ──→   │ 美光             │  ──→   │ 数据中心/企业级SSD    │
│  AMAT               │        │ 铠侠 + 西部数据   │        │ AI训练数据存储        │
│                     │        │ 长江存储 (YMTC)   │        │ PC/NB SSD             │
│ ALD/沉积设备:       │        │                  │        │ 车载存储              │
│  ASM / TEL / Wonik  │        │                  │        │ 安防监控              │
│                     │        │                  │        │ 游戏主机              │
│ 硅片/靶材/气体:      │        │                  │        │                      │
│  信越 / 三菱材料     │        │                  │        │                      │
│  SK Materials        │        │                  │        │                      │
└────────────────────┘        └─────────────────┘        └──────────────────────┘

关键上游瓶颈

  • 刻蚀设备:高深宽比刻蚀(HAR Etch)是 LAM Research 和 TEL 的强项。层数越高,设备需求越大,且设备单价更高(先进 HAR 刻蚀设备单台价格可达数千万美元级别 [供应链估算])。
  • ALD 设备:数十层 O/N stack 的均匀沉积依赖 ALD,ASM International 是主要供应商。
  • 光阻材料/特殊气体:层数增加带来更多的光刻/刻蚀步骤,耗材用量随之增长。

关键指标

指标说明典型范围(当前主流产品级)
层数(Layer Count)堆叠的 Word Line 层数,最核心的密度指标176L-236L(量产主流),300L+(最新发布)
Bit 密度(bit/mm²)单位芯片面积的存储容量受 CuA、QLC 等因素影响,持续提升中 [各厂商未完全公开]
Die 容量单颗芯片的存储容量512Gb-1Tb+(TLC),QLC 可达更高
接口速率NAND Die 与控制器之间的数据传输速率当前主流约 1600-2400 MT/s [估算]
P/E Cycles编程/擦除寿命TLC: ~1000-3000;QLC: ~100-1000(因代际、工作温度、应用场景差异大)
读延迟(tR)从 NAND 读取一页数据的时间通常数十微秒级别
I/O 功耗每 bit 传输的能耗随层数增加和接口提速需持续优化

供需与市场数据

全球 NAND 市场

维度数据来源/口径
全球 NAND 市场规模约 500-700 亿美元/年行业估算(2023-2024,随价格周期剧烈波动)
年出货容量增速约 25-35%/年行业估算(bit growth)
主要需求驱动力企业级 SSD(AI/云)、手机、PC[行业报告]

竞争格局(产能/收入份额估算)

厂商收入份额(全球 NAND)在华制造布局最新层 [公开信息]
三星~30-35% [估算]西安工厂(重要产能基地)236L+
SK 海力士~18-22% [估算](含 Solidigm)大连工厂(原英特尔 NAND)238L / 321L
美光~15-20% [估算]232L / 300L+
铠侠+WD~25-28% [估算]162L / 218L [估算]
YMTC~5% [估算]武汉(受出口管制影响)232L(受制裁后扩产受阻)

标注:上述份额为行业分析师综合估算,各厂商财报口径不完全一致,仅供参考。

AI 对 NAND 需求的影响

  • AI 训练数据集存储:TB-PB 级原始数据需高性能 SSD 预处理
  • AI 推理缓存:大模型 KV-cache、向量数据库等对读延迟敏感
  • HDD→SSD 替换加速:数据中心 SSD 容量需求 CAGR 持续高增
  • 但注意:HBM/DRAM 是 AI 训练的”热”存储,NAND 是”温/冷”存储层,两者互补而非竞争

代表公司与资本映射

公司角色V-NAND 相关亮点上市代码
三星电子V-NAND 命名者、全球第一/第二大 NAND 供应商2013年首量产 3D NAND;产能最大、产品线最全005930.KS
SK 海力士全球第二大(含 Solidigm)4D V-NAND、CuA 先行者;321L 已发布000660.KS
美光全球第三大232L / 300L+;CBA(CMOS Bonded Array)架构创新MU (NASDAQ)
铠侠(Kioxia)BiCS 架构原创者东芝存储的继承者,与 WD 合作研发6600.T(东京上市)
西部数据(WD)与铠侠合资生产NAND 业务已拆分为 SanDisk 独立公司WDC (NASDAQ)
长江存储(YMTC)中国 3D NAND 唯一量产玩家232L 技术已验证,受美国出口管制扩产受限未上市
兆易创新中国 NOR Flash/利基 NAND非主攻 3D NAND,但受益于国产替代逻辑603986.SH

设备/材料链映射

公司角色与 V-NAND 的关联
LAM Research刻蚀设备HAR Etch 核心供应商,层数越高需求越强
TEL (东京电子)刻蚀/沉积设备与 LAM 分食 HAR 市场
ASM InternationalALD 设备O/N stack 沉积关键供应商
ASML光刻设备NAND 的光刻要求低于 DRAM/逻辑,但仍需
应用材料 (AMAT)CVD/刻蚀/CMP综合半导体设备供应商

产业研究框架

需求与供给变量

  1. 层数竞赛驱动设备需求:每提升一代层数,刻蚀/ALD 设备的采购量和价值量同步增长,LAM、TEL、ASM 等设备商的订单弹性随之提高。
  2. AI 数据存储需求爆发:大模型训练/推理的数据管线对高性能 SSD 需求持续增长,企业级 SSD 是 NAND ASP 最高的细分市场。
  3. 供给侧纪律改善:经历 2022-2023 年的严重下行周期后,各厂商大幅削减资本开支,供需再平衡推动价格回升。
  4. HDD→SSD 长期替换:数据中心 SSD 渗透率仍有提升空间。
  5. 地缘政治推动供应链重构:国产替代(YMTC 及其供应链)为中国设备/材料商带来机会。

约束与风险变量

  1. 强周期性:NAND 是典型的强周期商品,价格可从高点跌去 60-70%。
  2. 物理极限逼近:层数突破 400-500L 后,刻蚀深宽比、热预算等挑战指数级增大,技术路径不确定性增加。
  3. QLC/PLC 耐久性问题:每增 1 bit/cell,可靠性下降,限制企业级应用。
  4. 地缘政治风险:对华出口管制可能影响三星/SK 海力士在华工厂的设备升级。
  5. 替代存储技术:CXL 存储、SCM(存储级内存)等可能改变存储层次结构。

关键跟踪指标

  • 各厂商季度 NAND ASPbit shipment
  • 季度 资本开支指引(供给端先行指标)
  • 层数技术路线图更新
  • 企业级 SSD 出货量(AI 需求代理指标)

常见误读纠偏

误读 1:“V-NAND 是三星独有的技术”

纠偏:V-NAND 是三星的商标名,不是一种独有技术。3D NAND / 垂直 NAND 是行业通用技术路线,SK 海力士、美光、铠侠/WD、YMTC 都在量产 3D NAND。只是各家的命名(V-NAND、BiCS、4D V-NAND)和具体架构细节(CTF vs FG、CuA vs 非 CuA、单 Deck vs 多 Deck)不同。三星的优势在于最早量产产能规模最大,而非技术垄断。

误读 2:“层数越多 = 产品越好”

纠偏:层数只是密度指标之一,不代表最终产品性能。影响最终 SSD 表现的因素包括:

  • 控制器能力(纠错、磨损均衡、GC 策略)
  • 接口速率(PCIe Gen4 vs Gen5 vs Gen6)
  • Die 容量和封装密度(影响并行度)
  • 单元类型(TLC vs QLC 直接影响延迟和耐久性)
  • 固件优化(尤其是企业级 SSD 的 QoS)

例如,一颗 176L TLC Die 配合优秀控制器的 SSD,可能在真实工作负载下优于一颗 236L QLC Die 配平庸控制器的方案。

误读 3:“3D NAND 已经接近物理极限,未来增长有限”

纠偏:虽然高深宽比刻蚀和多 Deck 对齐是重大挑战,但行业仍有多个技术杠杆可继续提升密度:

  • CBA(CMOS Bonded Array)/ CuA 等架构创新持续提升面积效率
  • QLC / PLC 提升每单元比特数
  • 层数继续堆叠(300L→500L+ 可期,但需要工艺突破)
  • 更激进的 pitch scaling(在堆叠方向和水平方向同时微缩)
  • 全新架构(如全环绕栅极型存储单元、3D DRAM 混合等前沿探索)

NAND 的密度增长速率可能放缓,但远未到终点。


学习路径

Level 0:理解基础
├── 什么是闪存?什么是 NAND Flash?(入门科普视频/文章)
├── 为什么需要 3D?平面 NAND 的瓶颈是什么?
│
Level 1:理解结构
├── 学习 V-NAND 的垂直串结构(Channel Hole)
├── 理解 CTF vs Floating Gate
├── 了解 SLC/MLC/TLC/QLC 的区别
│   推荐:AnandTech / WikiChip 的 NAND 专题
│
Level 2:理解工艺
├── 高深宽比刻蚀(HAR Etch)原理和挑战
├── ALD 在 O/N stack 中的角色
├── 多 Deck / String Stacking
│   推荐:IEDM / VLSI Symposium 论文、LAM Research 技术白皮书
│
Level 3:理解市场与投资
├── 各厂商技术路线图对比
├── NAND 周期分析(ASP / bit shipment / 供需曲线)
├── 设备供应链分析(刻蚀/ALD/光刻)
│   推荐:各厂商财报、TrendForce/集邦咨询报告、券商行业研报
│
Level 4:前沿追踪
├── 500L+ 路径探索
├── PLC (5 bits/cell) 研发进展
├── 3D DRAM 概念(存储计算融合前沿)
│   推荐:ISSCC / IEDM / Hot Chips 会议论文

一句话总结

V-NAND 是存储行业从”微缩时代”迈向”堆叠时代”的范式革命——通过垂直堆叠数十至数百层存储单元,在不依赖昂贵光刻微缩的前提下持续降低 bit 成本,已成为支撑全球数据存储基础设施的核心技术底座。


延伸阅读与来源

  1. 原始论文:H. Tanaka et al., “Bit Cost Scalable Technology with Punch and Plug Process for Ultra High Density Flash Memory,” VLSI Symposium, 2007(BiCS 概念首次提出,铠侠/东芝)
  2. 三星 V-NAND 白皮书:Samsung Semiconductor 官网 V-NAND 技术页面(技术路线图和产品规格)
  3. 设备厂商技术白资料:LAM Research “High Aspect Ratio Etch” 白书;ASM International ALD 技术文档
  4. 行业报告:TrendForce / 集邦咨询 NAND Flash 季度追踪报告;Yole Intelligence 3D NAND 技术与市场报告
  5. 会议论文:IEDM (International Electron Devices Meeting)、VLSI Symposium 上各厂商的 3D NAND 论文是了解最新架构的最佳一手资料
  6. 公司财报:三星、SK 海力士、美光、铠侠季度财报中的 Memory 业务板块(含 ASP、bit shipment、资本开支数据)
  7. 存储行业分析:Blocks & Files、StorageNewsletter、WikiChip 等垂直媒体的技术分析文章

声明:本页技术规格和市场数据综合自公开资料和行业估算,具体数字以各厂商官方披露为准。标注 [估算] 或 [行业估算] 的数据为非精确值,仅供分析参考。

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