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Floating Gate(浮柵)

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概念 ID
floating-gate
更新時間
2026-06-03
來源數量
1

Floating Gate(浮柵)

1 3 秒看懂

一句話:浮柵是 Flash 儲存(NAND/NOR)的核心儲存單元——利用被絕緣層完全包裹的導電層“困住”電子,實現斷電後仍能儲存資料。你手機裡的照片、AI 大型模型的 checkpoint、資料中心的冷儲存,底層都依賴這個僅數十奈米厚的電子囚籠。

2 3 分鐘產業解釋

是什麼與運作邏輯

維度說明
核心定義浮柵(Floating Gate)是夾在控制柵極與矽溝道之間的多晶矽或金屬導電層,上下被 SiO₂ 絕緣層完全包圍,通過 Fowler‑Nordheim 隧穿注入或釋放電子來改變電晶體的閾值電壓,以此區分“0”和“1”狀態
所處技術鏈浮柵 → Flash 儲存單元 → NAND/NOR Flash 晶片 → 固態硬碟(SSD)/ 嵌入式儲存 → 手機 / PC / 伺服器 / AI 訓練資料池
與 HBM 的關係HBM(高頻寬儲存器)基於 DRAM 工藝,屬於易失性儲存,並不使用浮柵;但 AI 伺服器中 HBM 負責近存計算的快取記憶體,NAND Flash 負責大容量持久化儲存,兩者構成“記憶體‑儲存”分層體系

為什麼現在需要仔細理解浮柵

  • AI 基礎設施的存力底座:訓練 GPT‑4 級別模型需數 PB 資料,推論服務需 NVMe SSD 支撐低延遲索引。浮柵是 AI 資料持久化的物理根基。
  • 半導體供應鏈的博弈焦點:3D NAND 製造涉及高深寬比刻蝕、薄膜沉積、鍵合等關鍵裝置,是中美科技競爭的前沿陣地。
  • 技術換代視窗期:浮柵本身正在被電荷陷阱(Charge Trap)技術快速替代,但三星等頭部玩家仍部分堅守浮柵路線,技術路線的分野直接影響裝置採購、專利版面配置與產能規劃。

關鍵玩家速覽

環節代表公司(2024 年公開資訊)
國際 NAND IDM三星、SK 海力士、美光、鎧俠(Kioxia)、西部資料
中國 NAND 廠商長江儲存(YMTC);合肥長鑫(CXMT)主攻 DRAM,不直接生產浮柵型器件
核心裝置商ASML、應用材料、Lam Research、東京電子(TEL)、北方華創、中微半導體
關鍵材料商信越化學、SUMCO、滬矽產業、南大光電(光刻膠,2023 年仍處驗證期)

3 技術原理

3.1 基本結構與電荷儲存機制

浮柵電晶體的基本剖面如下(以傳統平面結構示意):

        ┌──────────────────────┐
        │  控制柵極 (CG, 多晶矽)  │
        ├──────────────────────┤
        │  阻擋氧化層 (SiO₂, ~15 nm) │
        ├──────────────────────┤
        │  浮柵 (多晶矽, 導電層)    │ ← 電子在此長時間駐留
        ├──────────────────────┤
        │  隧穿氧化層 (SiO₂, ~8‑10 nm) │
        ├──────────────────────┤
        │  矽溝道 (P‑substrate)   │
        └──────────────────────┘

浮柵被上下兩層氧化矽完全電學隔離。寫入時,在控制柵極施加高壓(+15~20 V),源漏接地,強電場使溝道電子通過 Fowler‑Nordheim 隧穿穿越薄氧化層注入浮柵,導致閾值電壓升高;擦除時施加反向電壓,電子被拉出浮柵返回溝道,閾值電壓回落。讀取時施加中間電壓並檢測是否導通,即可判斷儲存態。

3.2 多值儲存的實現

為提升儲存密度,業界在同一個浮柵中儲存多個電荷水平,對應不同閾值電壓區間,實現每個儲存單元 2 位元(MLC)、3 位元(TLC)甚至 4 位元(QLC)。這對隧穿氧化層的質量、電荷保持能力和外圍電路的讀/寫精度提出極高要求。2023 年主流消費級 SSD 已廣泛採用 TLC,企業級 QLC 也開始在讀取密集型場景中滲透。

3.3 從平面浮柵到 3D NAND 的結構演化

階段結構代表性技術狀態
2D 平面 NAND單層浮柵陣列各廠早期產品已淘汰,受單元間串擾限制無法繼續微縮
3D NAND 早期垂直堆疊浮柵層三星第一代 V‑NAND(2013 年)部分產品沿用至今
3D NAND 主流Charge Trap (CT) 或替代柵極美光 / 鎧俠 / 長江儲存逐漸取代浮柵成為主流路線

浮柵與電荷陷阱的關鍵區別:浮柵將電子儲存在導電的多晶矽層中,一旦絕緣層出現漏電路徑可能導致全部電荷丟失;CT 技術則將電子儲存在絕緣的氮化矽(Si₃N₄)層中的深能級陷阱內,即使區域性缺陷也不易引起整體失效,且更易於在 3D 堆疊工藝中整合。因此,儘管三星部分 V‑NAND 仍堅持浮柵,全行業已在向 CT 遷移。

3.4 浮柵在嵌入式領域的長期存在

在汽車 MCU、物聯網安全晶片、智慧卡等嵌入式 Flash 領域,浮柵結構因其成熟度和可靠性仍被廣泛使用。這些場景對儲存容量要求不高,但對寫入壽命、資料儲存溫度範圍有嚴格要求。


4 關鍵引數

以下引數基於 2023‑2024 年公開文獻、企業公告及行業報告整理。未明確出處時標註“公開資料未見”。

引數類別具體指標典型數值/範圍說明與來源
儲存單元隧穿氧化層厚度(2D)~8‑10 nm物理極限影響漏電,技術文獻口徑
儲存單元3D NAND 垂直堆疊層數(2024 年最高)236‑238 層(三星、SK 海力士)來源:三星 2024 SSD 釋出會、SK 海力士 2024 官網
儲存密度3D TLC NAND 儲存密度> 10 Gb/mm²(2023 年行業水平)來源:TechInsights 4Q23 拆解報告
效能SSD 順序讀寫速度最高 14 000 / 12 000 MB/s(PCIe 5.0 ×4 企業級)三星、美光企業級產品規格書(2024 年)
耐久性SLC/MLC/TLC/QLC 擦寫次數(P/E 次)~100K / ~10K / ~3K / ~1K 次典型值,具體因工藝浮動而異
資料保持常溫資料儲存時間1‑10 年(工作溫度範圍內)行業標準 JEDEC JESD47 要求
能耗3D NAND 寫入能耗約 10⁻¹² J/bit 量級學術文獻估算,晶片級差異大
尺寸最新 3D NAND 晶片面積約 100‑150 mm² 封裝封裝型別多樣,無統一口徑
價格NAND Flash 合約價格2024 年均價逐步回升,具體數值以 TrendForce 為準價格波動劇烈,不宜列絕對數字
產能相關業界最大 3D NAND 月產能(三星平澤)據傳約 500K+ 晶圓/月(2023 年估算,公開資料未見精確揭露)三星未公開單廠產能,第三方估算不一

5 技術路線

5.1 浮柵路線:三星 V‑NAND 的堅守與改良

三星自 2013 年推出 3D V‑NAND 以來,一直採用“浮柵 + 垂直通道”結構,並在後續代際中通過材料最佳化(如用金屬替代多晶矽浮柵)緩解浮柵的漏電和微縮瓶頸。三星 2024 年公開的 236 層 V8 V‑NAND 仍在浮柵架構下提升。選擇堅守的原因包括已有龐大的專利與製造經驗積累,且可通過特殊的模組化設計控制漏電。但長遠來看,當堆疊層數繼續推高到 300 層以上,浮柵在工藝複雜度和可靠性上面臨更大挑戰。

5.2 電荷陷阱(CT)路線:主流與標準化

美光、鎧俠/西部資料、SK 海力士、長江儲存均採用 CT 或類 CT 結構。

  • 美光:替代柵極(Replacement Gate) + CT,232 層產品採用 CMOS‑under‑array 設計,將外圍電路移到儲存陣列下方,提高儲存密度。
  • 鎧俠/西部資料:BiCS 架構,使用圓柱形 CT 單元,218 層量產中。
  • SK 海力士:4D NAND,將外圍電路置於晶片下,238 層量產。
  • 長江儲存:Xtacking 架構,將儲存陣列與 CMOS 外圍電路分別製造後使用金屬鍵合,已量產 128 層 CT 型 3D NAND,更高層數技術進度公開資料未見

5.3 未來技術方向

方向說明潛在影響
400+ 層堆疊深寬比刻蝕、應力控制、熱預算管理成瓶頸需引入新的沉積/刻蝕裝置及材料
新型儲存ReRAM、MRAM、鐵電儲存器等部分場景可替代 NAND,但成本與容量差距巨大
混合鍵合與晶圓級整合類似 Xtacking 的工藝或進一步普及提升 I/O 速度與設計靈活性

6 上游

上游支撐環節直接決定 3D NAND 的工藝先進性與產能規模。以下為主要細分方向及代表企業(2023‑2024 年視角)。

6.1 光刻裝置

裝置型別主要供應商技術壁壘對 3D NAND 的重要性
浸沒式 DUV (ArF)ASML、尼康ASML 基本壟斷高階 DUV3D NAND 關鍵層仍大規模使用 DUV,歐盟/美國出口管制影響對華供應
EUVASML獨家供應部分廠商在 3D NAND 核心層引入 EUV 以降低缺陷和提升一致性,但非必需;2024 年三星、SK 海力士已部分採用,美光亦規劃匯入

6.2 刻蝕與薄膜沉積

裝置代表國際廠商中國廠商國產化進展(2023 年口徑)
高深寬比介質刻蝕Lam Research、TEL中微半導體中微 CCP 刻蝕機進入部分國際 3D NAND 產線,具備 60:1 以上深寬比能力
薄膜沉積(CVD/ALD)應用材料、Lam、TEL北方華創、拓荊科技部分裝置進入國記憶體儲產線,但先進 ALD 仍以進口為主
電鍍/金屬化Lam、應用材料暫無成熟替代用於填充垂直通道的鎢/鈷沉積

6.3 檢測與量測

KLA、應用材料、日立高科在光學和電子束檢測方面佔據絕對優勢。國產化率低,國內中科飛測、上海精測等處於追趕階段。

6.4 關鍵材料

材料國際供應商中國供應商國產化率(2023 年估算)
300 mm 矽片信越化學、SUMCO滬矽產業、立昂微約 20‑30%(國內整體),儲存廠對矽片缺陷密度要求極高
光刻膠東京應化、JSR、杜邦南大光電、晶瑞電材KrF/ArF 光刻膠驗證中,EUV 光刻膠尚不具備
特種氣體(如 WF₆、C₄F₈)林德、液化空氣、SK Materials華特氣體、金宏氣體部分品種已通過驗證匯入
靶材日礦金屬、霍尼韋爾江豐電子、有研新材國內在鋁、銅、鈦靶材上已有突破

備註:上述國產化率根據 2023 年 SEMI 中國、公開行研究報告告綜合估算,具體企業資料以公司公告為準。


7 下游

7.1 應用場景與需求特徵

場景典型儲存形態關鍵需求2023‑2024 年趨勢
智慧手機UFS 3.1/4.0 嵌入式快閃記憶體高密度、低功耗、小封裝旗艦機儲存容量向 1 TB 推進,AI 手機端側模型增加讀寫強度
PC/筆記型電腦M.2 NVMe SSD速度快、成本可控TLC 為主流,QLC 在入門級滲透
企業級 / 資料中心NVMe SSD(U.2/E1.S)高耐用、低延遲、大容量單盤容量 30.72 TB 已量產(三星 PM1743、鎧俠 CM7 等)
AI 訓練資料池大容量 SSD 叢集 + HDD順序讀頻寬、整機容量密度每臺 AI 伺服器配備 8‑30 TB SSD;NAND 用於資料預處理和模型 checkpoint 快速儲存
推論服務高效能 NVMe SSD隨機讀延遲 < 100 μs用於加速特徵儲存和索引快取,部分場景用傲騰替代但已停產,NAND SSD 地位增強
汽車eMMC / UFS / BGA SSD寬溫、高可靠性、長壽命智慧駕駛域控制器對 512 GB‑1 TB 儲存需求上升

7.2 AI 驅動的 NAND 需求增長量化視角

根據 IDC 2024 年 3 月儲存資料追蹤報告,AI 相關基礎設施建設在 2023 年為企業級 SSD 市場貢獻了約 15% 的增量需求,並預計 2024 年該比例將升至 22%。但 AI 推論端是否需要如此大容量的 NAND 仍存在分歧,部分雲端廠商傾向採用更經濟的混合儲存方案。


8 受益公司

本段僅列舉與浮柵/NAND Flash 產業鏈強相關的業務主體,不做任何價值判斷與推薦。

8.1 國際 NAND 晶片製造商(IDM)

公司與浮柵的關係2023‑2024 年關鍵業務動態
三星電子全球最大的 3D NAND 供應商,V‑NAND 部分代際仍採用浮柵結構236 層量產,宣佈計劃 300+ 層;平澤園區繼續擴產
SK 海力士3D NAND 產量第二,採用 CT 路線238 層量產,固態硬碟子公司 Solidigm 面向 AI 企業級市場
美光科技第三大 NAND 廠商,完全轉向 CT 替代柵極232 層量產,2023 年受中國網路安全審查部分產品銷售受限
鎧俠 / 西部資料共享日本製造工廠,CT‑BiCS 架構218 層量產,雙方在 2023 年推動合併但尚未完成

8.2 中國大陸 NAND 及儲存生態

公司業務方向浮柵關聯
長江儲存 (YMTC)3D NAND 設計製造Xtacking CT 架構,128 層量產,受美國製裁影響先進裝置獲取受阻
合肥長鑫 (CXMT)DRAM 製造不涉及浮柵,與 NAND 形成儲存組合
江波龍、佰維儲存、金泰克等儲存模組與品牌採購 NAND 原廠晶圓生產 SSD、UFS,是中國 NAND 下游生態重要一環

8.3 核心裝置與材料公司(部分)

  • 國際:ASML(光刻)、應用材料(沉積、注入、CMP)、Lam Research(刻蝕)、TEL(塗膠顯影、刻蝕)
  • 中國:中微半導體(CCP 刻蝕)、北方華創(PVD、CVD)、拓荊科技(CVD)、滬矽產業(大矽片)、江豐電子(靶材)

9 市場規模

9.1 NAND Flash 整體市場

年份全球 NAND 市場營收來源
2022 年~550‑600 億美元Gartner、CFM 快閃記憶體市場(各口徑略異)
2023 年~400‑450 億美元(衰退)IDC 4Q23 全球儲存追蹤,TrendForce 季報
2024 年(估算)有望回升至 550 億美元以上TrendForce 2024 年 1 月預測,受 AI 伺服器和手機容量升級驅動

說明:儲存市場極具週期性,2022 年下半年至 2023 年經歷嚴重下行,價格下跌導致營收大幅縮水;2024 年隨減產效應與 AI 需求回暖,行業進入復甦週期。

9.2 細分市場

細分市場2023 年規模估算增長驅動來源
企業級 SSD~120‑150 億美元AI/雲端資本支出反彈、資料中心擴容IDC 2024 SSD 預測
消費級 SSD~180‑200 億美元PC 更換週期、遊戲/內容創作TrendForce
嵌入式儲存(手機、IoT)~150‑180 億美元手機容量升級、摺疊屏等Counterpoint
車規儲存< 20 億美元(較小基數)L3+ 自動駕駛域資料儲存需求Yole、公開報道

10 玩家對比

以下對比基於 2023‑2024 年各公司公開財報、技術釋出及第三方追蹤報告。

維度三星SK 海力士美光鎧俠 / 西數長江儲存
最高量產層數(2024 年)236 層(V8)238 層232 層218 層128 層(2022 年口徑)
技術路線V‑NAND(浮柵為主)4D NAND(CT)CT 替代柵極BiCS(CT)Xtacking(CT)
全球 NAND 營收份額(2023 年)~31‑33%~20‑22%~25%~18‑20%~3‑5%(估算)
產能關鍵據點韓國平澤、中國西安韓國利川、清州;大連(Solidigm)新加坡、臺灣(原華亞科)、日本廣島日本四日市、北上武漢(受制裁影響擴產暫緩)
企業級 SSD 版面配置PM1743 等支援 PCIe 5.0,大容量 30.72 TBSolidigm D7‑PS1010 等針對 AI 負載最佳化6500 ION / 9550 SSD 覆蓋讀取密集型CM7、PM6 系列,與西數雙品牌公開客戶主要為模組品牌廠,企業級自研產品公開資料未見
中國業務狀態西安工廠正常運營大連工廠正常運營,母公司受美國出口管制限制間接影響2023 年受中國網路安全審查,部分營收受影響主要通過渠道銷售實體清單限制裝置進口,先進工藝推進受阻

份額資料主要來源於 TrendForce 4Q23 NAND Flash 品牌廠商營收排名及 CFM 估算,各口徑可能微有差異。


11 風險

11.1 技術替代風險

浮柵在 3D NAND 中的佔有率持續走低,CT 已成為新產能的預設選擇。如果三星後續代際也全面轉向 CT,長期固守在浮柵技術上的特有製造經驗和裝置需求將面臨轉型成本。

11.2 儲存週期性風險

NAND Flash 價格歷史波動劇烈。2023 年記憶體晶片 ASP 跌幅超 50%,廠商獲利大幅收窄。即使 AI 帶來結構性增量,宏觀經濟或雲端廠商資本支出的波動仍可能引發過剩。

11.3 地緣政治風險

  • 對華技術封鎖:美國 2022‑2023 年多次加嚴對中國半導體制造裝置的出口限制,直接打擊長江儲存 128 層以上開發與擴產。
  • 供應鏈武器化:美光在華受限事件表明,儲存晶片可能成為貿易審查的籌碼,供應鏈安全面臨挑戰。
  • 兩岸關係:部分關鍵材料、裝置物流經臺灣,潛在緊張局勢增加不確定性。

11.4 製造與環保風險

3D NAND 製造需大量使用全氟化合物(PFCs)等溫室氣體,面臨嚴格環保法規。高能耗與水資源需求也對在中國新建晶圓廠形成制約。


12 誤讀糾偏

誤解 1:“浮柵就是 NAND Flash” → 浮柵只是一種電荷儲存結構,當前大部分 3D NAND 實際採用電荷陷阱(CT)而非浮柵。討論時應區分。

誤解 2:“HBM 也用到浮柵” → HBM 的基礎單元是 DRAM 電容,完全不同於浮柵。兩者在 AI 伺服器中是互補關係,而非技術同源。

誤解 3:“長江儲存已落後且無希望” → 長江儲存 128 層 Xtacking 在 2022 年已量產,且架構設計得到國際關注。制裁確實限制了其層數追趕速度,但其在 3D NAND 領域的技術積累不可忽視。至於更高層數進展,公開資料未見

誤解 4:“AI 只需要 HBM,NAND 不重要” → 大型模型訓練和推論對持久化儲存的需求巨大,模型引數、訓練資料、日誌、快照都需高效能 SSD。忽視 NAND 等於忽視存力半壁江山。

誤解 5:“浮柵已經完全被淘汰” → 在嵌入式 Flash、智慧卡、部分三星 V‑NAND 產品中浮柵仍然活躍,只不過在 3D NAND 主流高容量消費市場佔比正在縮小。


13 最新事件

以下為截至 2024 年中的公開動態,僅做資訊記錄,不構成趨勢推斷。

  • 三星:2024 年宣佈量產第 8 代 V‑NAND(236 層),並計劃 2025‑2026 年推出超過 300 層的第 9 代 V‑NAND,繼續採用浮柵改良結構。(來源:三星半導體 2024 SSD 釋出會)
  • SK 海力士:238 層 4D NAND 已在企業級 SSD 中大規模交付,Solidigm 品牌推出針對 AI 的 D7‑PS1010 SSD,宣稱 AI 推論延遲顯著降低。(來源:SK 海力士官網 2024 新聞稿)
  • 美光:2023 年 5 月中國網路安全審查辦公室要求關鍵資訊基礎設施運營商停止採購美光產品;2024 年美光仍尋求通過其他渠道服務中國非受限客戶。(來源:中國網信辦公告、美光財報電話會議)
  • 鎧俠/西部資料:合併談判在 2023 年因 SK 海力士反對等因素停滯,2024 年上半年未見突破性進展。(來源:日經新聞、路透社報道)
  • 長江儲存:2023‑2024 年受外圍裝置禁運影響,未公開宣佈 200 層以上量產資訊;部分國內模組廠仍持續採用 YMTC 128 層 NAND 生產消費級 SSD。(來源:公開市場產品拆解、TrendForce 評述)
  • 儲存價格:TrendForce 2024 年 Q1 報告顯示 NAND Flash 合約價季度上漲超 20%,AI 伺服器需求成為價格回升的主要動力之一,但後續走勢需追蹤供應端產能恢復情況。
  • 裝置出口管制動態:2024 年美國、荷蘭、日本繼續加強管控,中微半導體參與先進製程驗證的進展受到關注。(來源:路透社、各國外貿公報)

14 追蹤指標

對於希望持續關注浮柵 / 3D NAND 產業鏈的讀者,建議追蹤以下高頻或定期指標:

指標類別具體指標頻率常見來源
價格NAND Flash 現貨/合約均價(TLC 512Gb 晶粒基準)周/月TrendForce、DRAMeXchange、CFM 快閃記憶體市場
供給主要廠商季度 NAND 出貨量(位元增長率)季度公司財報
供給資本支出展望(三星、美光、鎧俠等儲存相關 CapEx)季度/年公司財報電話會
技術各廠 3D NAND 堆疊層數里程碑公佈事件驅動企業釋出會、ISSCC 論文
需求全球伺服器出貨量及 AI 伺服器滲透率季度IDC / Gartner / 富邦等券商研究報告
需求PC、智慧手機出貨量(影響消費級儲存)季度IDC / Counterpoint
政策美國 BIS 實體清單更新、荷蘭/日本光刻機出口許可證動態事件驅動官方公報、中國商務部/外交部回應
替代新型非易失儲存(MRAM/ReRAM/PCM)初創企業融資及產品化進展持續追蹤EE Times、IEDM 會議

15 信源

為確保資訊可追溯,本節列出本文引用的核心資料來源類別及典型機構,便於讀者交叉驗證。

類別推薦信源
市場與價格追蹤TrendForce, IC Insights (現為 TechInsights), CFM 快閃記憶體市場, DRAMeXchange (已整合入TrendForce)
半導體裝置與材料市場SEMI, Yole Intelligence, The Information Network, 中國半導體行業協會 (CSIA)
公司基本面三星、SK 海力士、美光、鎧俠、西部資料、長江儲存(少量公開)官網投資者關係頁面及季度財報
技術文獻與專利IEEE Transactions on Electron Devices, IEDM, ISSCC, 各公司專利資料庫
政策與合規美國商務部工業安全域性(BIS)網站、中國商務部/網信辦公告、荷蘭外貿部公報
拆解與技術分析TechInsights 拆解報告, 數碼博主拆解影片(僅供參考,不作為財務依據)

註明:部分資料引用需注意口徑差異(如“營收”含 NAND 和 DRAM 整體,需拆分),建議以原始報告為準。“公開資料未見”表示在資料可及範圍內無確鑿公開揭露,並非暗示存在隱瞞。


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