近日，市場研究機構Techinsights對於三星、SK海力士/Solidigm、美光、鎧俠(西部數據)、YMTC的200層以上的3D NAND Flash進行了對比分析，發現三星的垂直單元效率(VCE，vertical cell efficiency ) 是最高的。

傳統的NAND快閃記憶體單元採用平面電晶體結構，包括控制閘極（Control Gate）和浮動閘極（Float Gate）。透過向單元施加電壓，電子在浮動閘極中儲存和移除。

多年來，供應商將平面NAND 的單元尺寸從120nm 縮小到1xnm 節點，使容量增加了100 倍。

然而，當單元尺寸達到了14nm 的極限，這意味著該技術不再可擴展，由此NAND原廠紛紛轉向3D NAND，以實現超過2D NAND 結構的數據密度，並能夠在更新一代的技術節點上製造。

具體來說，平面NAND 由帶有儲存單元的水平串組成，而在3D NAND 中，儲存單元串被拉伸、折疊並以「U 形」結構垂直豎立。

實際上，這些單元以垂直方式堆疊以縮放密度，因此，3D NAND儲存單元有多個層級。

3D NAND的層數描述了堆疊在一起的字線（Word Line）數量。在這些字線層上切出一個垂直柱，柱子與每條字線的交點代表一個物理單元。

也就是說，每個3D NAND 儲存單元都類似於一個微小的圓柱形結構。

每個微小單元由中間的垂直通道和結構內部的電荷層組成，透過施加電壓，電子可以進出絕緣電荷儲存膜，然後讀取訊號。

平面NAND 在每個節點上都減小了單元尺寸，  3D NAND 則採用了更寬鬆的工藝，大約在30nm 到50nm 之間。

3D NAND 記憶體容量的擴展主要是透過添加垂直層來實現的，在這種3D NAND結構中，單元密度會隨著堆疊中層數的增加而增加。

然後，每隔一到兩年，供應商就會從一代技術遷移到下一代技術。

根據研究數據顯示，供應商平均每代3D NAND 都會增加30% 至50% 的層數，而每一代新的晶片將會增加10% 至15% 的晶圓成本。這也使得NAND 的每bit成本能夠平均以每年約20%幅度降低。

現在，超過200層的TLC NAND 產品已經逐漸成為主流，例如三星236層NAND 、SK 海力士238層NAND、美光232層NAND 、YMTC 232層NAND。

另外還有一些接近200層的廠商，例如鎧俠（KIOXIA）和西部數據的112層/162層NAND 和Solidigm 的144層/ 192層(FG) NAND。

Techinsights從SK 海力士2TB SSD PC811 HFS002TEM9X152N (設備：H25T3TDG8C-X682) 中提取了SK 海力士238L 512 Gb 3D NAND 晶片，該晶片尺寸為34.56mm ²，位元密度為14. 2. ^14.mm。

談到3D NAND 單元效率，垂直單元效率(VCE，vertical cell efficiency) 對於NAND 單元製程、設計、整合和設備操作而言非常重要。

隨著堆疊的總閘極數量的增加，單元VC（vertical cell）孔高度也會增加。

為了降低VC 高度和縱橫比，其中一種方法是透過減少虛擬閘極（dummy gates）、透過閘極（passing gates）和選擇閘極（select gates）的數量來提高垂直單元效率。

垂直單元效率可以用總閘極中active cell 的百分比來定義，也就是用active WL （Word Line）除以整合的總閘極數來計算。

垂直單元效率越高，製程整合度越高，縱橫比越低，整體效率越高。

VCE可定義為活躍單元佔總閘極的比例，即Active WL 數量除以總集成閘極數量x 100%。

例如，一個NAND串由Active WL、通道WL（含dummy WL）和選擇器（源極/汲極）組成。

若其包含96個Active WL和總計115個閘極，則VCE為83.5%，計算方法為96/115×100%。

VCE越高，對製程整合越有利，能達到更低的縱橫比和更高的生產效率。

Techinsights發現，在多代3D NAND 產品中，三星始終以最高的垂直單元效率領先產業。他們最新的多層V-NAND 在前幾代以高效著稱的基礎上，擁有令人印象深刻的垂直單元效率。

美光和YMTC也在其產品中展示了強勁的垂直單元效率數據，這反映出它們在減少虛擬閘極、通過閘極和選擇閘極數量方面取得了顯著進步，從而優化了垂直單元效率。

△3D NAND 垂直單元效率趨勢

總結來看，三星每一代產品的VCE都是最高的，例如採用單層結構的128層是94.1%，176層COP V-NAND是92.1%，236層2nd COP V-NAND是94.8% 。

YMTC的232層Xtacking 3.0的VCE是91.7%，美光232層是91%。

鎧俠162層的VCE稍低一些，為88%。

SK海力士238層共有259個門，VCE為91.9%，仍低於三星的236L。