半导体存储器分类介绍 -NAND篇-详细参数对比及最新Roadmap

•在5G、AI、AIOT等新兴战略产业的快速发展带动下，信息数据呈现爆发式增长，数据规模从原来的GB、TB、PB上升到EB、ZB级，存储器作为信息数据的存储媒介，其重要性不言而喻，半导体存储作为当前主流存储技术，在经历了半个世纪的发展后，形成了以DRAM和NAND为主的产品构成格局。

•1966年IBM发明的DRAM标志着半导体存储时代的开启，在行业发展的早期，市场主要以DRAM产品为主，当时单颗芯片容量仅为1Kb，现在已扩容至32Gb以上，DRAM存储技术已发展超过半个世纪，技术创新主要以制程推进为主。

•1980年代初入市场的NAND Flash只有4Mb容量，发展至今单芯片可达2Tb，Flash存储技术已发展40余年由2D NAND向3D NAND技术路径演进。

存储媒介发展历程

半导体存储也称为存储芯片，根据数据存储原理的不同，半导体存储器可以分为随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

RAM是与CPU直接交换数据的内部存储器，可随时进行数据读写且速度较快，断电后保存数据会丢失，是易失性存储器，通常用作操作系统或者其他运行中程序的临时数据存储介质；

ROM是一种只能读取事先所存数据的存储器，断电后也能保存数据，是非易失性存储器，常用于存储各种固定程序和数据。

RAM可进一步细分为静态随机存储器（SRAM）和动态随机存储器（DRAM）。相较于DRAM，SRAM读写速度非常快，但价格较高，通常用作计算机中的高速缓冲存储器，即CPU、GPU中内部L1/L2缓存或外部L2高速缓存，容量只有几十Kb至几十Mb。DRAM常用于计算机中的主存储器，由于结构简单成本相对较低，作为系统内存具有很高的性价比优势。

ROM根据内容写入方式可分为PROM、EPROM、OTPROM、EEPROM和Flash等。Flash又称闪存，是现阶段主流存储器，拥有可擦除可编程的特点，在断电的环境下也能保证数据的保存完整性，成本低且密度大，广泛应用于嵌入式系统中。Flash又可进一步划分为NAND Flash和NOR Flash，NAND Flash是市场主流Flash存储产品，写入和擦除的速度快，存储容量大，是高数据存储密度的理想解决方案；相较于NAND Flash，NOR Flash可以直接在Flash闪存内运行应用程序，容量较小，读取速度快，主要应用于汽车、功能手机、物联网等小容量代码存储。

•NAND Flash属于非易失性存储设备，基于浮栅晶体管设计，即使断电存储的数据也不会丢失，NAND Flash作为当前低成本和大密度数据存储的主要存储解决方案，广泛应用于智能手机、服务器、PC等电子终端市场.

在早期，NAND Flash主要以2D平面形式存在，其扩展容量的原理主要通过在一个平面上将多个存储单元进行拼接，存储单元的数量越多，存储容量就越大，随着存储芯片厂商将2D NAND的单元尺寸从120nm微缩至14nm时，2D结构在容量扩展方面的局限性开始显现，其可靠性会随着制程微缩进一步下降。

为了克服2D NAND技术的自身缺陷，2007年东芝（现在的铠侠）提出了3D NAND结构的技术理念，3D NAND主要通过在垂直堆栈中将多组存储单元进行相互层叠，以实现存储容量增加的目的，堆叠层数越高则意味着容量就越高。目前3D NAND为NAND技术的主流发展趋势。

根据存储方式的不同，NAND Flash又可分为SLC、MLC、TLC和QLC

•根据存储方式的不同，NAND Flash又可分为SLC、MLC、TLC和QLC，对应存储单元分别可存放1、2、3和4bit的数据，存储密度越大，其寿命越短且速度越慢，但容量越大成本越低。以SLC和QLC为例，SLC相对于其他类型NAND闪存颗粒单位容量成本更高，但其数据保存时间更长、读取速度更快，反之，QLC拥有较高的存储密度且更低的成本，但是其寿命短、读取速度慢，目前NAND Flash主要以TLC为主。

SLC（英文全称Single-Level Cell——SLC)即单层式储存

SLC技术特点是在浮置闸极与源极之中的氧化薄膜更薄，在写入数据时通过对浮置闸极的电荷加电压，然后透过源极，即可将所储存的电荷消除，通过这样的方式，便可储存1个信息单元，即1bit/cell，速度快寿命最长，价格贵（约MLC 3倍以上的价格），约10万次擦写寿命。

MLC（英文全称Multi-Level Cell——MLC)即多层式储存

英特尔（Intel）在1997年9月最先开发成功MLC，其作用是将两个单位的信息存入一个Floating Gate（闪存存储单元中存放电荷的部分），然后利用不同电位（Level）的电荷，通过内存储存的电压控制精准读写。

即2bit/cell，速度一般寿命一般，价格一般，约3000-1万次擦写寿命。MLC通过使用大量的电压等级，每个单元储存两位数据，数据密度比较大，可以一次储存4个以上的值，因此，MLC架构可以有比较好的储存密度。

TLC（英文全称Trinary-Level Cell）即三层式储存

TLC即3bit per cell，每个单元可以存放比MLC多1/2的数据，共八个充电值，即3bit/cell，也有Flash厂家叫8LC，所需访问时间更长，因此传输速度更慢。

TLC优势价格便宜，每百万字节生产成本是最低的，价格便宜，但是寿命短，只有约1000–3000次擦写寿命。

QLC（英文全称Quadruple-Level Cell）四层存储单元

全称是Quad-Level Cell，四层式存储单元，即4bits/cell。QLC闪存颗粒拥有比TLC更高的存储密度，同时成本上相比TLC更低，优势就是可以将容量做的更大，成本压缩得更低，劣势就是寿命更短，理论擦写次数150–300次（传统2D）1000+次（3D） 。

•SLC存储一个bit数据，也就是二个状态(0，1) ;

•MLC存储二个bit数据，所以是四个状态(00，01，10，11) ;

•TLC三个bit，八个状态(000，001，010，011，100，101，110，111) ;

•QLC四个bit，十六个状态(0000，0001，…. 1111)

如下图所示。

性能优先级：

SLC > MLC > TLC > QLC，但实际体验受主控和缓存设计影响显著.

SLC/MLC：适合高频写入场景（如数据库、AI训练），但MLC已逐步被企业级TLC替代。

TLC：主流选择，平衡速度与成本，支持PCIe 4.0/5.0接口，满足游戏和创意设计需求。

QLC：适合大容量存档（如视频库、备份），但需避免频繁写入.

读写速度：SLC > MLC > TLC（缓存内）> QLC（缓存内）

缓外速度：SLC ≈ MLC > TLC > QLC

寿命：SLC > MLC > TLC > QLC（传统）≈TLC（3D QLC）

容量/成本比：QLC > TLC > MLC > SLC

选购建议：

•普通用户：TLC性价比最优，QLC适合大容量需求。

•专业用户：高端TLC（如带独立缓存）或企业级MLC。

•企业级：3D QLC用于冷存储，SLC/MLC用于高频写入场景.

NAND存储厂商技术路线图

三星:2025年量产第九代的286层3DNAND(V9)，预计2026年推出400层的第十代3DNAND(V10)

SK海力士:2025年量产第8代321层NAND Flash，预计2026年推出第9代400层NAND Flash

美光:2024年量产276层TLCG9 NAND Flash

铠侠(Kioxia)与威腾电子(Western Digital):2024年量产218层NAND flash产品，下一步正开发332层

长江存储(YMTC):2023年成功开发量产232层3D NAND Flash

旺宏:3D NAND已发展至192层技术·采用96+96层堆架构，可提供512Gb至1Tb容量，其中512Gb良率已达量产标准。旺宏与IBM合作开发300层NANDFlash，未来布局高密度储存市场.

下一期我们将整理eMMC/UFS/eMCP/UMCP篇，欢迎大家持续关注。

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