SLC NAND是如何在闪存界保有地位、屹立不倒的？

作者：黄烨锋

EET电子工程专辑原创

以NAND闪存单元(cell)表达信息量的差异，NAND闪存可分为SLC、MLC、TLC甚至QLC NAND，已经是个常识了。SLC NAND每个单元可存储1bit数据——高电压表示二进制0，低电压表示二进制1;而MCL NAND每个单元可存储2bit数据，即将电压范围做4个区间的切分，用于表达二进制00、10、01、00;TLC、QLC NAND以此类推。

自Intel于1997年率先开发出MLC以来，加上半导体制造工艺的提升，NAND闪存容量攀升就变得越来越快。这些不同类型的NAND闪存介质，从直觉来看就知其区别主要在容量、寿命、可靠性和成本上。因为SLC NAND的每个单元仅可表达1bit数据，故其容量密度会相比MLC、TLC、QLC更低，成本也更高;但SLC读写速度会更快，性能、可靠性更出色，寿命也更久。而MLC、TLC、QLC则容量密度会更高，对应的成本更低，但读写速度对应的更低、容错率变差、寿命更短。

基于成本方面的考量，以及这些年技术上的发展，今年年中智研咨询发布的《2021-2027年中国NAND闪存行业市场运营态势及发展趋势研究报告》显示，以NAND类型做切分，去年全球TLC NAND市场份额达到55.61%;MLC NAND市场份额32.15%;SLC NAND市场份额为1.82%;QLC NAND市场份额10.43%。这组数据也是基本符合预期的，SLC NAND的市场规模相对较小。Gartner的数据显示2019年全球低密度SLC NAND闪存市场规模约为16.71亿美元，至2026年年复合增长率(CAGR)为-2.0%。

不过SLC NAND在市场上依旧有其一席之地，本文尝试谈谈SLC NAND存在于市场的技术基础，以及其发展现状、市场参与者，目前的应用场景(本文不涉及3D NAND)。比较有参考价值的除了一些技术paper、分析报告之外，我们关注到就今年年中，国内SLC NAND Flash闪存的市场参与者之一东芯半导体在科创板IPO成功过会。从其招股书，我们也多少可以了解目前SLC NAND市场的发展情况。

SLC寿命、可靠性有多大优势?

我们常说SLC NAND的寿命、可靠性比MLC、TLC NAND之类的更久更出色，当然还有性能更好。这其中的差别事实上造成了SLC NAND依然有相当大的用武之地。性能更好不用多说，当代高性能、分层级的NAND方案都倾向于SLC与其他类型的单元混用，比如以SLC作为整个存储器的cache或高速存储部分，而以其他类型单元作为高容量存储部分，兼顾成本和性能效益。

寿命和可靠性则是个更值得探讨的话题，或者说SLC NAND与其他类型的NAND寿命与可靠性差距究竟有多大。衡量闪存器件寿命(endurance)的一个重要指标是P/E cycle，也就是擦写次数。闪存的数据写入与覆盖P/E，会在NAND闪存单元中产生陷阱电荷。陷阱电荷随时间积聚，bit错误发生变高，也就需要我们所熟知的ECC机制来做对应的补偿。

P/E次数表达的是，在提供可靠数据存储的情况下，闪存器件可正常使用的生命周期。一般用JEDEC标准定义的方法来做测试。举个例子，比如我们看到东芯半导体SPI NAND Flash有产品标注 100K Program / Erase cycles，就是指P/E次数。SLC NAND器件的这一值，可以达到MLC NAND的十数甚至数十倍，这仍是SLC存在的一个重要价值。

另一个用以衡量可靠性的指标是data retention(数据保持)能力。这个特性用以描绘在闪存驱动器写入数据以后，在没有数据损坏的前提下，能够确保数据完整性的时间。一般来说，当一个单元中储存了电子，随时间推移这些电子会泄露扩散(在NAND gate之间)，导致单元中的电荷减少。在泄漏到一定量的时候，电压水平会漂移到临近区域，导致错误的二进制值。

事实上，如前所述SLC单元仅需要分辨2个电压区间，那么bit翻转发生的容差会明显更大。而MLC/TLC之类，数据错误发生前的这种电荷容差明显更小(因为MLC要切分为4个电压区间)。通常我们说闪存介质的data retention值，是与电荷损失率与不同电压区间差相关的函数。这其中电荷损失，较大程度受到温度的影响，而电压区间差则受到P/E次数的影响。

于此就不难发现，SLC NAND的data retention将极大优于MLC、TLC。比如我们看到东芯半导体标注其SPI NAND Flash产品的data retention为10年(8bit/512byte ECC)。以上这张图是SLC与MLC同在55℃温度下，经过对应P/E周期次数后，data retention的变化情况。这个值基于，在SLC与MLC的P/E次数相差30倍时，SLC闪存能够提供大约10倍的data retention时间。需要指出的是，温度在这其中也是个非常重要的变量。

另外值得一提的是，随技术进步，某些企业级的存储方案，相比一般的MLC/TLC等方案能够实现明显更高的P/E次数。但其中的很大一部分方案，是以超容量的方式、部分牺牲了data retention为代价的。这种取舍主要在于具体的应用场景，针对应用对何种需求更为敏感。

从NAND闪存更具体的寿命、可靠性细节信息上也就比较容易理解，SLC NAND为何依然非常重要了。

制造工艺进化，对NAND寿命的影响

在寿命的问题上，还有一个非常值得考虑的要素，即光刻技术进步、器件尺寸微缩带来的制造工艺变化。器件尺寸微缩是数字芯片性能提升的关键，对存储器而言或许也是。但它对存储器寿命可能产生了负面的影响。

先来回顾一下闪存构造。SLC NAND的单元，由带floating gate(浮置栅极)的晶体管构成。这个floating gate可在一段时间内储存电子。电子隧穿过隔离floating gate的薄氧化层，到达floating gate。针对器件，应用一个较大的触发电压，就会产生隧穿效应(tunneling effect)。触发电压因此在沟道中构建了场，增加电子能量，导致部分电子隧穿过薄氧化层。反向电压则相对的把电子推回去。

floating gate上存有电子的时候，阈值电压会发生变化。如果gate之上没有电子，则晶体管也就和普通MOSFET类似了。当电子储存在floating gate之上时，其负电荷会限制源极到漏极的电流流动。阈值电压发生变化，也就调整了单元的电流/电压特性;floating gate状态的读取，也就可以通过施加电压来测得。

光刻工艺的演进(目前SLC NAND成熟工艺水平已经达到1x nm，且还在发展)，导致可进入floating gate的电子数量减少，也就是事实上影响了阈值电压。每次制造工艺迭代，都难以获得上代工艺所造NAND的性能和寿命。

栅极的阈值电压是变化的，可表达成某种统计分布。而这种分布就决定了P/E次数。对于某个单元进行P-也就是写操作，其电压会以极其缓慢的速度破坏隔离floating gate的薄氧化层。那么floating gate就会捕获更多的电荷。随时间推移，这种变化就会带来问题。而工艺技术的进步，实际上是让NAND构造更小了，如此便导致了器件更快的损耗、更短的寿命。

器件尺寸微缩还有一个比较重要的影响。闪存单元是相互紧挨着的，读写某个单元会向临近单元施加电压应力，有时这会导致电子意外隧穿(ECC可用于修正此类数据错误)，因此影响到阈值电压。光刻工艺的进步实际上增加了这种意外情况的发生。

工艺进步对于所有类型的NAND器件寿命都有影响，不过对MLC、TLC等的影响可能会显著的大于SLC。这一点从直觉上就不难理解，尤其是相比SLC，其他单元类型需要更多的电压区间来实现高密度数据存储——尤其是器件尺寸变小，移往floating gate的电子数量更少这一点。

SLC NAND市场发展情况

基于这些技术认知，SLC NAND理应仍维持着相应的生存空间。尤其是那些对于寿命、稳定性要求较高，对存储容量并不敏感的应用场景，SLC NAND仍然是不可或缺的。文首已经大致提到了目前SLC NAND市场的发展大趋势，这部分我们来谈谈SLC NAND的应用领域，及主要的市场参与者。

从应用领域的角度来看，QYResearch此前的研究报告针对SLC NAND闪存研究范围覆盖了8Gb、4Gb、2Gb以及其他小于16Gb的产品。这份报告提到目前SLC NAND闪存产品主要应用于消费电子产品、物联网、汽车、工业、通信和其他相关行业。

做进一步的细分，消费电子产品领域其应用包括数字电视、手机、机顶盒、数码相机、摄像机、打印机等;汽车相关的车载电子产品;工业领域则涵盖智能计量与智能照明、POS系统和Industrial卡、工业机器人、工业仪表等;通信领域DSL和电缆调制解调器、M2M模块、网络和电信VoIP等;其他行业还包括了游戏机、电子玩具等。看起来SLC NAND的应用领域仍然相当广泛。

智研咨询此前也给出了不同容量SLC NAND闪存的市场份额分布。目前2Gb SLC NAND闪存市场份额为28.74%;4Gb SLC NAND则为22.70%;8Gb SLC NAND市场份额10.48%;其他容量NAND存储器的市场份额38.08%。

在SLC NAND市场参与者方面，颇具代表性的包括了铠侠(东芝)、三星、美光、ATO Solution、飞索半导体(Spansion)、旺宏(Macronix)、华邦(Winbond)、兆易创新，以及前面就提到的东芯半导体等等。

整体的NAND格局上，三星和铠侠位列全球市场份额的前两位(2019Q2的数据是两者各自市场份额35%、18%)，国内的市场参与者与之相较仍然是有距离的。我们没有找到SLC NAND闪存产品市场排名的单独数据。

国外SLC NAND主流市场参与者目前可以铠侠为代表。此前东芝于1984年最早发明了闪存，1987年则推出了全球的首个NAND闪存芯片。而国内目前在SLC NAND闪存自主研发设计与投片量产方面比较有代表性的是东芯半导体。

更多市场参与者的详细情况，本文不再展开讨论。不过如文首所述，年中东芯半导体提交的招股书透露了不少信息，实际上我们是能够从中窥见当前SLC NAND市场的发展现状的。

东芯半导体在招股书中提及，其自主研发并量产的SLC NAND Flash闪存制程范围目前在24-38nm之间——以中芯国际38nm为主，力积电28nm产品也已经实现了量产，而中芯国际24nm产品达到量产标准，与此同时东芯的1xnm工艺节点产品进入研发阶段。虽然在现发展阶段上还无法与三星、铠侠、美光等国际巨头相较，但和国内其他竞争对手相比还是具备了不错的优势的，若成功研发将是国产SLC NAND 的重大突破，这意味着中国的SLC NAND 技术水平将于国际领先并驾齐驱。

另外，其产品性能表现在一方面工作温度-40℃-105℃，高于国内主流水平，且存储容量也覆盖了512Mb-8Gb，覆盖更广。

从东芯半导体的官网来看，其SPI NAND Flash产品为单颗粒芯片设计的串行通信方案，集成了存储阵列、控制器，并且内置ECC模块，集成度不错。其应用场景包括光猫、路由器、网络摄像监控、物联网设备、智能音箱。而并行NAND Flash系列产品在耐久性、数据保持特性等方面表现稳定，不仅在工业温控标准下单颗芯片擦写次数已经超过10万次，同时可在-40℃到105℃的极端环境下保持数据有效性长达10年，产品可靠性逐步从工业级标准向车规级标准迈进。应用场景也涵盖了网络通信、智能音箱、安防监控、机顶盒等多个领域。

从SLC NAND闪存既有的技术优势、市场发展数据、市场参与者以及应用方向等角度都不难看出，SLC NAND闪存目前仍然是存储器市场非常重要的组成部分。而且本文还没有探讨3D NAND，以及将SLC单元作为存储器产品的cache存在的方案。目前SLC NAND仍在朝着降低成本与功耗、提升数据读取速度、提升可靠性，发挥传统优势的方向做技术升级。