长江存储CTO：做小NAND如盖大楼，提升存储密度必经QLC

在霍宗亮看来，无论是内存还是闪存，都和建筑行业很相似。“我们给客户提供更大容量的颗粒存储更多数据，建筑行业给住户提供更大的居住面积让更多人住下去。”

存储行业的发展，离不开对数据产生量的分析。根据第三方研究机构IDC 2018年给出的数据显示，2025年全球数据的产生量将达到175ZB。然而在2023年Q4，IDC刷新了数据，将2025年全球产生的数据上调为181ZB，这意味着2024-2027年全球产生的数据复合增长率（CAGR）将达到22.4%。

IDC的另一个数据是，2027年全球产生的数据总量或将达到291ZB，这其中并不是每一个数据都是有用的，所以被保存下来的部分占比不足10%。然而就是这10%，也需要用不同形式的存储载体来记录，并最终呈现在每个人面前。

存储的载体非常多，从早期的磁带，到现在包括半导体存储器在内的各种硬盘。当今半导体存储器的两大支柱分别是内存（主要指DRAM）和闪存（Flash），它们占据了整个半导体存储器95%的市场，而这个市场的总价值已经超过1000亿美金。

长江存储首席技术官霍宗亮博士

“存储市场周期性非常强，基本上四年一个轮回。从2022年到2023年，无论是闪存还是内存行业都过的非常艰难，但好在今年整个半导体行业已经开始复苏，存储行业也进入了上升期。” 在日前举办的中国闪存市场峰会（CFMS | MemoryS 2024）上，长江存储首席技术官霍宗亮博士表示，“在这个上升的过程中，我们终于有机会渡过艰难时刻。”

存储行业也有摩尔定律

长江存储目前聚焦NAND Flash领域，面向企业级SSD、消费级SSD和智能手机三大市场，当前以这三大市场为代表的全球闪存总容量需求仍在高速增长，从2023年到2027年，年均复合增长率达到21%，单台设备平均容量复合增长率约20%。预计到2027年，三大主要市场将占据全球闪存需求总量的83%。

“要满足这个庞大的市场，我们在技术和产品需要做到什么？” 霍宗亮以集成电路行业中著名的摩尔定律为例，所谓摩尔定律，是指处理器的性能每18个月翻倍，同时价格要变成原来的一半，“在闪存行业或者说整个存储行业中，其实也有相似的规律。客户需要更好读写性能、更大容量、更高速度、更低功耗的产品，同时他们也希望在性能提高的同时不增加成本。所以存储芯片提供者需要用每Gb成本下降，来满足客户的需求。”

无论闪存还是内存，都是“量大面广”的通用产品，需要考虑不同的应用场景，包括企业级、消费级，还是移动端、车载，所用的存储颗粒都是一样的。不同在于市场对存储器的容量、性能、耐用等级有更多更细分的要求，颗粒中的固件因应这些需求也会有所不同。

做NAND如盖高楼

存储技术就是在市场需求下不断演进的，在霍宗亮看来，无论是内存还是闪存，都和建筑行业很相似。“我们给客户提供更大容量的颗粒存储更多数据，建筑行业给住户提供更大的居住面积让更多人住下去。早些年，闪存行业其实就是在大批建平房，但客户希望更高密度、更高容量的同时希望价格不变，所以闪存厂商就开始把房子做得越来越小，楼间距越来越密（2D NAND Flash单元尺寸微缩）。平房就这样演变成了高层楼房（3D NAND Flash层数增加）。”

时间来到2014年，业界发现当闪存颗粒单元尺寸缩小到一定程度时，将面临很多工艺、可靠性方面的挑战，而且成本已经很难控制。同样在2014年，三维闪存（3D NAND Flash）出现了。

“我们今天的目标是如何盖更高的‘楼’。从32层、64层一直到今天看到超过200层的‘楼’已经盖起来了。当然所有目标只有一个，提高密度、降低成本来满足客户对它的需求。” 霍宗亮说道。

今天闪存业界探讨最热烈的，就是这‘楼’到底能盖到多高。换句话说，闪存厂商要如何提高存储密度，来满足每年对容量的快速增长。回归技术手段，既然是盖楼，就要看一下在建筑领域如何提高密度。霍宗亮举了几个生动的例子：

在盖高楼的同时增加层数。这是最简单的方法，在增加层数时考虑到性能或整个建筑的体积，可以把房间层高变小，也就是层厚变薄进而提供更多层数，这是纵向层数的持续增加。
要提供更多的建筑面积，可以在Z轴方向同时提高密度，把X、Y方向同时缩小。这和建筑行业中，去掉一切冗余的、不宜居的面积同理。持续增加孔密度，减少其他部分，这是横向密度持续增加。
把容积率提高的情况下，可以把原来的商用面积放到楼下去，房地产有底商的概念，而闪存业界有CUA(CMOS Under Array)等概念。

QLC是必由之路

这三种都是为了从架构层面提高密度，采用几何层面的方法。不仅限于几何层面，我们还有物理层面。

“一个房间里可以住一个人、两个人、三个人甚至更多。QLC就是一个房间里有四个人，这意味着我们要处理不同的状态。” 霍宗亮举了个例子，以SLC来说，这个房间有人和没人，两个状态是1位态；MLC是一个房间有两个人，AB都在、AB不在、A在B不在或B在A不在，这是四种状态，需要两位态；同理，TLC和QLC分别代表住四个人和八个人，带来八位态和十六位态。

要降低成本，提高密度，需要把上述这些方法串起来使用：层数增加、横向密度扩展、架构变化，同时采用QLC。由于这是业界当前技术能力所能达到的最佳方案，所以QLC成为了提升存储密度的行业共识。

从市场趋势看，2023年，QLC市场份额在13%左右，预计到2027年的将超过40%。

霍宗亮认为，QLC刚进入市场，大家一定心有疑虑，“就像早期从SLC转向MLC，或MLC转向TLC时，大家都会问能不能搞定？可靠性有没有问题？这个问题在从TLC向QLC转化时仍然存在。”

但他同时表示，长江存储作为一家存储容量的提供者，一定在保证满足质量、性能和可靠性的情况下，交付给大家更多的容量。“我们一定会坚守大家所关注的插写次数、数据保存时间、延迟和速度等等。保证这些质量的同时，给大家一个很好的面积。”

QLC为什么难做？

如何做到？先要看TLC和QLC的差别在哪儿。

如下图左边所示，三层楼中的每一层楼、每一个区域，黄色的点作为间隔，每间房里会住三四个人。层与层之间因为降低了层高，所以互相之间是有影响的。“比如房子矮了，我们能闻到上面和下面房间屋里的香味，这就带来了可靠性问题。”霍宗亮表示，“电荷损失机制位可靠性带来了技术挑战，因此我们希望数据是隔离的。”

如何降低干扰？从上图右边可以看到，一个房间3个人的时候，也就是TLC的8个态，需要准确区分他属哪一个态，这就是闪存颗粒供应商要做的工作，其中要用到大量的算法纠错。

同样，当一个房间里住4个人的时候，2的4次方为16个态，如何来区分这16个状态，以及数据是否可靠？需要从工艺、器件、算法、设计等多个维度下工夫。

CMOS和Array分开做

“相对来说，长江存储的Xtacking（晶栈）是一个更友好的架构。”霍宗亮回忆2016年和团队一起做32层NAND架构时吃尽了苦头，因为刚开始采用传统架构，先做逻辑架构再做存储阵列，“做好存储阵列时，我们发现逻辑架构温度不高，但存储阵列温度非常高。于是我们决定把两个架构分开各自设计，再合二为一。就有了2018年美国闪存峰会上推出的Xtacking架构。”

据介绍，Xtacking架构实现了不同工艺的解耦，将两个独立设计制造的CMOS电路、Array阵列合二为一，通过混合键合形成牢固的整体，提供了更快的I/O速度、更高的存储密度以及更快的上市周期。

回顾过去几年，长江存储沿着制定架构努力向前，从Xtacking 1.0、2.0一直到3.0。第一代引入了BDTi、第二代引入NiSi提高性能，第三代引入BSSC提高架构简化工艺。

传统架构下，热预算限制了外围CMOS电路的技术演进。而Xtacking独立的CMOS为电路设计打开空间，克服了CMOS电路的热预算问题，进而支持更小的器件尺寸、更低的晶体管电压，实现了更高的I/0速度。

Xtacking独立的CMOS为Array的操作算法提供更大灵活性，那么对于QLC技术而言，是否也有更好？QLC由于层数的增多，有更多的访问电路需要适配，所以Vpass一定要缩小；另一方面，QLC和TLC更多需要状态识别，意味着有更多算法仰仗可靠性。

霍宗亮表示，Xtacking第三代（X3）和第二代（X2）相比，得到了很好的提升。X2采用传统电压配置，X3则采用灵活电压配置，对阵列端更友好，读取窗口裕度也得到提升。

闪存存储引入更多态，需要更高可靠性。长江存储用多晶硅代替传统单晶硅做存储，这个制程需要高温退火并引入更多氢元素，传统架构的工艺耦合无法兼顾不同的退火条件。Xtacking独立设计存储阵列在这里体现出来，高温退火优化后的读窗口裕度（可靠性指标）迅速提升。

第三代Xtacking架构带来提升

会上，霍宗亮还介绍了长江存储最新推出的基于Xtacking第三代架构的QLC闪存颗粒X3-6070，该QLC颗粒在实现4000次擦写后没有出现任何问题。要知道，QLC在早期刚推出的时候，大家还在担心能否擦写1000次？甚至500次？现在看来，是可以的。

再与X2时代的QLC做个对比，X3 QLC在存储密度上提高了70%，编程性能提高了90%，I/O速度提高50%，擦写次数达到4000次。这样的参数，已经能够满足大部分场景的应用需求。

同时在能效方面，长江存储的第三代Xtacking无论是SLC还是QLC，在读写上都有很好的提升。据悉长江存储的的合作伙伴将其NAND颗粒用到企业级SSD中，获得了良好的实测数据。

QLC的时代正在到来

“我们认为在目前的场景下，QLC正走向成熟。”霍宗亮说到，在过去几年里，QLC在消费级领域其实已经成熟，“如今企业级合作伙伴也正推出采用Xtacking架构的QLC产品，我们期待手机和更多应用场景能够采用我们的QLC。”

最后，霍宗亮总结道，过去的一年整个行业很不容易，对长江存储尤其不易。“我们需要坚持使命，为半导体产业贡献核心价值。这个过程尽管艰难，但我们仍然坚持创新，努力发挥架构优势来提供产品的质量；在市场方面，我们也坚持以客户为核心，不断丰富产品组合，与客户共建更好的产品竞争力。”