關注「黑洞科技觀察」
傳遞科技背後的思考
大家好，本文是“晶片的世界”系列文章的第四篇。前三篇文章的連結在本文結尾附上。
晶片的文章發了三篇，基本上從矽原料到晶片加工，我們都受制於人。今天要說的這個領域有一點兒不同，這就是儲存晶片。
說起儲存晶片，就不得不說長江儲存。上個月的IC WORLD學術會議上，長江儲存表示，華為Mate 40系列手機使用了長江儲存的64層3D NAND快閃記憶體。長江儲存僅用了3年時間就實現了3D NAND的32層、64層、128層跨越。
準確的說，長江儲存能夠穩定生產64層NAND Flash儲存晶片，128層技術打通，正在量產爬坡。國外廠家三星海力士等能穩定量產128層，技術突破176層。
可以說長江儲存從技術上講基本擠進了第一梯隊，下一步就是要上量。
今天我們就要來說說，為什麼長江儲存能夠逆襲成功？儲存晶片和手機晶片到底有哪些不同？
儲存晶片種類
儲存晶片，也叫記憶體，或者是儲存器，反正就是計算機領域（手機、平板、PC、筆記本等）用來儲存資料的。
大家都知道計算機儲存的資料都是0和1，這些0和1都有哪些儲存方法呢，我們來看一看：
易失性儲存，就是一斷電資料就沒了，電腦的記憶體條就是易失性儲存。
電腦用的記憶體是DDR標準，目前是DDR4標準，下一代是DDR5；手機用的記憶體是LPDDR，LP代表著Low Power，低功耗，目前是LPDDR5；顯示卡用的記憶體是GDDR，目前是GDDR6。
大家看到不同的記憶體標準後面的數字不一樣，不用奇怪，因為他們在很早前就已經分開演進了，所以不能說GDDR6比DDR4先進。
非易失性儲存，就是斷電了資料還在，比如硬碟光碟都是非易失性儲存。當然我們今天討論的是半導體儲存晶片，所以這裡就只說Flash，也叫快閃記憶體。
Flash分為NAND和NOR，NAND是大容量的，存的資料多，但是讀寫時只能按頁操作。NOR容量沒那麼大，所以可以給所有儲存單獨編址，這樣就可以把程式直接存在NOR上面執行。相當於把執行記憶體和硬碟合一了，這樣嵌入式小型裝置就可以節省空間和成本。
儲存晶片領域毫無懸念的被國際巨頭壟斷，包括三星、SK海力士、美光和東芝等。
目前國產儲存晶片產業的佈局基本如下圖所示：
主要就是紫光集團和武漢、南京、重慶等地政府合資的企業，以及兆易創新與合肥合作的企業。臺灣聯電與福建省合作的DRAM專案福建晉華由於美光的糾紛，被美國製裁後已經偃旗息鼓。
其中，做的最好的應該就是長江儲存了，它的主要產品就是NAND Flash晶片。
今天我們就主要討論一下NAND Flash晶片。
電晶體
儲存晶片儲存二進位制資料，採用的是一種叫做“浮動門MOSFET（FGMOS）”的電晶體。
這個東西怎麼理解呢，我們這篇文章不研究太深的技術細節，大家知道一點就行：可以在控制門的控制下，往浮動門裡面注入電子，也可以把浮動門裡面的電子放出來。浮動門就像一個水杯，控制門就是杯蓋。
當浮動門內有電子時，電壓低於0，表示儲存的資料為“1”；當浮動門內沒有電子時，電壓高於0，表示儲存的資料為“0”；只要設計一個電路能夠檢測浮動門的電壓，就能知道這個浮動門裡面儲存的是什麼資料。
一個電晶體可以儲存的資料量，和浮動門電壓的檢測機制有關：
SLC：如果只檢測有沒有電子，那一個電晶體對應一個bit的資料，也就是0和1。
如果檢測電子的多少（也就是電壓大小），一個電晶體就可以存多個bit資料。比如：
MLC：把電壓範圍分為4份，分別對應2bit資料“00”、“01”、“10”和“11”，好比把水杯分為滿杯、三分之二杯、三分之一杯和空杯。
TLC：同樣的把電壓範圍分為8份，就能儲存3bit資料。
一個電晶體儲存的bit越多，那麼讀取和寫入的速度越慢，電晶體壽命越短，但是成本也越低。所以高可靠的場景用SLC，普通情況用MLC，對成本敏感的情況用TLC。
NAND Flash晶片
上面說的是NAND Flash裡面的單個儲存單元對應的電晶體，實際上每個儲存晶片，動輒幾個幾十G容量。一個8Gb的SLC儲存晶片，就包含了將近84。5億個這樣的電晶體。
這麼多的電晶體，是怎麼組合到一起的呢？
其實也簡單，採用的是化繁為簡，分而治之的原則。
8Gb的儲存，被分為了4096個塊，每個塊又被分為了64個頁。
頁就是flash的最小讀寫單元了，每個頁都是一串浮動門相連的電晶體，我們後續為了形象，就把電晶體換成水杯。
每頁有多少這樣的水杯呢？每頁儲存4k bytes資料，也就是4096bytes資料，另外每頁需要額外的128bytes儲存一些校驗資訊，所以每頁總計4224bytes的資料，也就是4224 x 8 = 33872個電晶體（水杯）。
每個塊的水杯是這樣連起來的：
讀取某一頁的資料，就是控制這個頁上面的WoldLine開啟每個水杯蓋子，然後依次讀取每個水杯連線的BitLine，就知道水杯裡面有沒有水了。
把4096個塊依次連線起來，就形成了一個完整的儲存晶片。
可以看到儲存晶片就是在一個平面上按照矩陣結構擺滿水杯，所以儲存容量除了和杯子大小有關，就和芯片面積有關。
減小杯子大小，可以透過更高的工藝製成，長江儲存的工藝是20nm，儲存晶片不同於手機晶片，最好的工藝也就是14nm。由於儲存晶片基於電荷儲存原理，隨著工藝提升，浮動門電容的絕緣層越來越薄，儲存的電荷也越來越少，電荷讀取也越來越難，所以儲存晶片不追求5nm。
芯片面積怎麼辦呢，面積大成本就高，另一方面也佔用結構空間。所以就產生了3D NAND技術，這是啥意思呢，就是把水杯摞起來，就像紅酒杯塔一樣。
長江儲存的3D Xtacking架構就像修建宮殿一樣：
透過3D結構，目前業界已經做到128層，而且層數有愈演愈烈之勢。
儲存晶片和手機晶片的區別
大家應該都清楚了儲存晶片是怎麼回事，儲存晶片的設計和加工是一個重複性非常高的工作，要的是工藝穩定。
手機和電腦的晶片，更準確的說應該是邏輯晶片，它和儲存晶片是截然不同的。
首先，基於功耗的原因，工藝已經一騎絕塵，臺積電在5nm後，已經奔著3nm努力了。
其次，儲存晶片只做一件事，就是存0和1，所以結構單一。而邏輯晶片要實現不同的功能，所以有各種閘電路，放大器等等。其實，在早幾年邏輯晶片的加工工藝是低於儲存晶片的，就是因為邏輯晶片更復雜。
現如今，複雜性越來越高，又要AI模組，又要安全模組，這也整合那也整合，而且還要5nm。可想而知，儲存晶片和手機晶片已經早就不可同日而語了。
這就是儲存晶片能夠短短几年實現初步逆襲的根本原因，他們的競爭難度完全不在一個水平上。
舉個形象的例子：
假設少林寺要修建一座達摩院，達摩院都包括什麼呢？
首先得有能夠講經授法的專業人士，這些人就是晶片的CPU模組；還得有武功高深的武僧團，隨時能拉出來表演絕技，這些人就是晶片的GPU模組；還得有一個深藏不露的掃地僧，關鍵時刻定乾坤，這個人就是晶片的AI模組；還得有對外聯絡人員，負責接待訪問等等，這些人就是通訊基帶晶片，還得有維持秩序的安保團隊，這些人就是晶片的安全模組，等等。
少林寺除了達摩院，還要什麼呢？必須得有一個藏經閣，這裡是藏經書的，這個藏經閣是啥呢？對了，就是儲存晶片。藏經閣需要啥呢，只需要圖書管理員就行。
大家看看，手機晶片和儲存晶片的區別大吧，一個是豪華組團，一個是單一工種。
當然了，明白了儲存晶片為啥能逆襲，並不是說長江儲存能力就不行。
長江儲存實際上做了很多成績，但是咱們的半導體底子整體弱了一些，所以我們不可能讓其他晶片行業也像長江儲存一樣快速的趕上來。
對整個半導體行業，還是要有足夠的耐心，畢竟建起一座威震武林的達摩院，可是少林寺百年才能完成的。
