从平房走向楼房 3D V-NAND技术解析
以往对用于SSD的平面型NAND闪存来说，为了增加存储密度或者降低成本，最有效的办法就是使用更先进的制程缩小晶体管。但晶体管缩小后会带来的一个问题是晶体管的绝缘层尺寸也会越来越小，导致电子容易溢出，各级之间相互干扰的问题就会越发严重，从而导致闪存出错率增高以及耐久性下降的问题。
平面型NAND在1xnm时代的数据出错率就已经很严重
为了缓解这个问题，当前很多SSD都采用了修正读取电压或者冗余校验等技术来减少出错率，因为此时闪存已经变得难以控制，同时带来的负面问题则是编程延迟也会增加。在平面型闪存步入1ynm阶段后，这种问题已经变得极为严重。
这就是3D V-NAND开发的初衷，并且可以从根本上解决目前平面型NAND走入的死胡同。
既然在平面上已经不好缩小，那么在垂直方向上增加层数则是另一个办法，这就是3D V-NAND的诉求。好比说同样的占地面积，如果都盖平房，为了让更多的人住进来，就要把房子盖得越来越密，这样每家每户之间的间隔越来越小，相互冲突不可避免。
从2D步入到3D，好比平房步入到楼房
而3D V-NAND的做法是，同样的占地面积不变，把平房改为楼房，以垂直方向发展，这样同样可以满足更多的住户，他们相互之间的隔离也可以解决。
3D V-NAND说起来简单，但要做出来可是非常困难的。三星早在2006年开始研发3D V-NAND，直到2011年才实现了8层堆叠，去年才首次实现了商业化。为了实现这种垂直方向的多层堆叠，三星采用了电荷捕型获闪存(Charge Trap Flash，简称CTF）技术，它包含三个颠覆性创新：材料上的创新、结构上的创新以及连接方式的创新。
三星3D V-NAND的三个颠覆性创新：材料、结构和连接方式
材料方面，如果说盖平房只用木材就可以了，那么盖楼房就需要用钢筋和水泥。在CTF技术中，三星使用了绝缘的氮化硅，可以在绝缘体空腔中储存电荷，因此电荷的把持能力更强，自然可减小各级之间的相互干扰。
从导体改为绝缘体
结构方面，首先是将多晶硅晶体管垂直过来，并将绝缘体和控制栅极（Control Gate）从平面改为圆柱形，包裹住整个晶体管，然后将他们在垂直方向上堆叠起来，这样就构成了3D V-NAND的基本形态。去年商业化的是24层，到了今年已经做到了32层。
结构的创新
那么这些晶体管之间如何连接呢？好比在高层楼中我们要做电梯，三星开发了Channel Hole Technology，故名思议就是在一个柱面（通达）进行穿孔来连接。去年的128Gb 3D V-NAND，横纵向分别穿了50000个通孔，总共25亿个——仅仅是一个指甲盖那么大的面积上。
25亿个通道孔
反应到最终产品上，3D V-NAND既然可以在垂直方向上可以实现更高的容量，每一层的容量也就不一定要做得太大，即密度无需太高，因此3D V-NAND通常以较低的制程起步。第一代3D V-NAND仅使用了30nm级制程，实现了24层堆叠，但单层容量依然做到了128Gb。到了第二代，三星实现了32层堆叠，同时制程升级到了20nm级的水平，平面密度增加了大约33%，不过三星还是有意缩小了平面方向的尺寸，并没有将单层容量提升至172Gb，而是砍掉一半为86Gb。
所以，以单层86Gb的容量来看，要实现128GB、256GB、512GB以及1TB的常规整盘容量，那么各版本的闪存配置应该是这样的：
很明显，根据闪存配置的不同，128GB采用了两颗2层堆叠的封装和两颗4层堆叠的封装组合，最大的1TB则为4颗8层堆叠的封装和4颗16层堆叠的封装组合。显然，如果启用4颗16层堆叠的封装和4颗32层堆叠封装的组合，理论上就可以做出2TB的容量。
此外，使用较低的制程的最大好处本来就是P/E循环次数的增加和出错率的降低，加上CTF技术在材料方面的改进，这就是3D V-NAND理论上比传统平面型NAND闪存有更高的耐久性的最主要原因。这次三星没有提及任何类似微调读取电压的“高级信号处理算法”或者是数据校验技术，可见3D V-NAND的可靠性之高。
从官方公布的数据来看，850 PRO的TBW（Terabytes Written）指标达到840 PRO的两倍，而且比带有预留空间的Intel SSD 730和Sandisk Extreme Pro都还要高不少。这也是为什么三星敢将850 PRO的质保时间做到10年的最主要原因。其中，Intel SSD 730采用的是20nm制程的闪存，而Sandisk Extreme Pro采用的则是其第二代19nm制程的闪存。
通过3D V-NAND实现的高可靠性，对主控和固件来说，也不会再需要复杂的信号处理算法，控制起来更加容易，因此从侧面来说，这降低了延迟，提升了速度，也降低了功耗。
负载状态下850 PRO最多可以比840 PRO节省38%的功耗
三星850 PRO可完美支持DevSleep模式，在系统闲置时只有不到2毫瓦的功耗，而840 PRO则超过10毫瓦。而在负载状态下，最多可以比840 PRO节省38%的功耗。
事实上，三星在平面型闪存的封装技术上也已经达到了很深的造诣，他们早在2012年给Retina MacBook Pro提供的就是已经采用了16层堆叠的SSD。在去年他们推出的840 EVO mSATA 1TB上，更采用了单层128Gb、16层堆叠的闪存，单颗NAND的容量达到了256GB！同样在OEM领域提供的XP941，采用的是单层64Gb、16层堆叠的闪存。
三星预计到2017年实现100层堆叠
不过现在借助3D V-NAND，目前已经可以实现单层86Gb、32层封装，单颗NAND的容量可以做到344GB，理论上在2.5英寸规格的SSD上可实现2TB、在M.2 2280规格上可以实现1TB。如果是生产基于NVMe协议的PCIe SSD，3D V-NAND的潜力才可以真正释放。三星预计，到了2017年，3D V-NAND可以实现100层堆叠！
毫无疑问，3D V-NAND是三星的未来，也是整个NAND行业的未来。在1ynm时代，耐久性、出错率、延迟都已经是越来越棘手的问题，3D NAND技术是解决这些问题的最佳途径。在这个节点上，三星无疑再次走在了行业前列。
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