将NAND推到400层开外

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AI 大模型的快速发展，正在让存储重新成为半导体产业最重要的战场之一。过去几年，行业讨论最多的是 GPU、HBM 和先进封装，但随着推理成为 AI 基础设施的主要负载，真正承载海量 Token、向量数据库、Checkpoint 和数据湖的企业级 SSD，开始成为新的瓶颈。对于存储厂商而言，谁能在有限的芯片面积内塞进更多容量、同时保持更高性能和更低功耗，谁就掌握了下一代 AI 存储的话语权。

在 FMS 2026 上，三星正式公布了第十代 V-NAND——V10 BV-NAND。这是全球首个超过 400 层的 V-NAND 架构，也是业内首次将晶圆键合（Wafer Bonding）技术引入 NAND 制造。相比上一代 V9，三星表示其存储密度提升约 58%，读写性能、I/O 带宽以及能效也同步提升。真正值得关注的，并不是“400 层”这个数字本身，而是它代表着 3D NAND 的技术路线已经发生了改变。

过去十多年，3D NAND 的发展逻辑非常简单：不断增加垂直堆叠层数。从最初的 24 层、32 层，到后来 64 层、96 层、176 层，再到如今超过 300 层，几乎所有厂商都遵循着同一条路线——在同一片晶圆上，把存储单元越堆越高。这种方式成功让 NAND 的容量提升了数十倍，也让 SSD 的成本不断下降。然而，当层数逼近 400 层时，继续依赖单晶圆堆叠开始遭遇物理极限。

问题首先出现在深孔刻蚀。3D NAND 的核心结构，是在数百层绝缘层与导电层组成的材料堆叠中，利用一次深孔刻蚀形成贯穿整个芯片的垂直沟道，再在沟道周围构建存储单元。随着层数增加，这个孔洞的深度不断增长，而孔径却几乎不能变大，深宽比变得越来越夸张。刻蚀过程中稍微出现偏移，就可能导致孔壁粗糙、孔径不一致，最终影响整片晶圆的良率和可靠性。对于 300 层以上的 NAND 来说，真正困难的已经不是继续沉积材料，而是如何精准地“打穿”整个堆叠。

另一个越来越严重的问题，是晶圆翘曲。为了形成数百层结构，晶圆需要经历大量薄膜沉积、热处理和应力释放过程。当堆叠越来越高时，不同材料之间的热膨胀系数会产生累积应力，使整片晶圆发生轻微弯曲。这种翘曲会直接影响后续光刻的对准精度，也会增加制造窗口的不确定性。因此，400 层真正挑战的，并不是设备能力，而是整套制造工艺已经越来越难保持稳定。

三星给出的答案，并不是继续把一片晶圆做得更厚，而是彻底改变制造方式。V10 最大的创新，就是引入了 Bonding Vertical（BV） 架构。它的核心思路是将原本需要在一片晶圆完成的超高层 NAND，拆分为两片独立晶圆分别制造，再通过高精度晶圆键合技术实现垂直连接，最终形成一个完整的存储阵列。

这种思路最大的意义，在于把制造难度进行了“分治”。原本需要一次刻穿 400 多层的深孔，现在只需要处理约一半厚度；原本集中在一片晶圆上的机械应力，也被分散到两片较薄的晶圆中。刻蚀深宽比下降之后，孔洞的一致性更容易控制，晶圆翘曲也明显减轻，整个工艺窗口因此变得更加宽松。换句话说，BV-NAND 并不是让设备变得更强，而是让制造过程变得更容易成功。

为了配合晶圆键合，三星还在 V10 中首次采用了 3-Stack 存储阵列结构。传统高层 NAND 通常采用两段式 Cell Stack，而三星将整个存储阵列进一步划分为三个独立堆叠区域，每一段都拥有相对更短的垂直沟道，再通过垂直互连形成统一的存储结构。这样做的好处，是进一步降低每一段的刻蚀难度，同时改善不同高度存储单元之间的电学一致性。随着层数不断增加，最容易出现的问题其实不是容量不足，而是顶部与底部单元之间的阈值电压、读写特性逐渐产生偏差。3-Stack 允许三星分别优化各段工艺，再进行整体整合，从而保证超过 400 层之后依然具备稳定的读写表现。

晶圆键合带来的提升，也不仅仅体现在层数上。三星公布的数据显示，V10 BV-NAND 相比 V9 的存储密度提升约 58%，意味着在相同芯片面积下，可以容纳更多存储单元。这对于企业级 SSD 尤其重要，因为数据中心真正关心的不是单颗 Die，而是每个 SSD 能做到多大容量、每 TB 的成本能降低多少。当一颗 NAND Die 容量增加之后，同样尺寸的封装可以集成更多 TB，服务器机架的存储密度也会随之提高，而整个数据中心的空间与能耗成本都会下降。

与此同时，三星还同步提升了读写性能和 I/O 带宽。这背后的逻辑，与 AI 推理的发展高度一致。过去 NAND 更多承担冷数据存储，而今天的大模型推理需要频繁访问 Embedding、检索数据库以及海量模型参数，SSD 已经从传统意义上的“仓库”，逐渐变成 AI 数据流中的高速缓存层。三星在 FMS 上明确表示，未来 AI 基础设施对 NAND 的需求，将不只是更高容量，更需要更高性能与更高能效，而 BV-NAND 正是围绕这一目标设计的新一代架构。

值得注意的是，超过 400 层并不意味着行业已经形成统一路线。三星选择的是“更多层数+晶圆键合”的路径，而另一边，铠侠与闪迪则选择了另一种思路。两家公司发布的 BiCS10 虽然只有 332 个有效层，但通过新的阵列设计实现了超过 29Gb/mm² 的位密度，并将目标同样锁定在 AI 数据中心市场。也就是说，未来衡量 NAND 技术先进性的标准，不再只是层数，而是层数、位密度、性能、功耗与制造成本之间的综合平衡。

从产业发展的角度来看，V10 BV-NAND 的意义甚至超过了一代产品本身。自 2013 年三星推出全球首个 V-NAND 以来，整个行业始终沿着“单晶圆垂直堆叠”的方向演进，而晶圆键合首次让 NAND 拥有了类似先进封装的扩展能力。未来如果继续迈向 500 层、800 层，甚至更高层数，厂商未必需要无限制地增加单片晶圆厚度，而是可以通过更多晶圆之间的垂直集成实现容量扩展。这意味着，3D NAND 的竞争正在从材料、刻蚀和堆叠，进一步进入晶圆级异构集成的新阶段。

AI 时代改变的不只是计算架构，也正在改变存储架构。当 GPU 决定模型的计算速度，HBM 决定带宽，而企业级 SSD 决定数据能够以多大的密度、怎样的成本被持续访问时，超过 400 层的 BV-NAND，或许才是真正支撑下一代 AI 基础设施的那块基石。

（来源：内容来自半导体行业观察综合）

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今天是《半导体行业观察》为您分享的第4515期内容，欢迎关注。

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