行業深度研究之記憶體基礎篇（1）：圖文詳解DRAM、NAND、HBM等記憶體技術的前世今生主要介紹了記憶體的一些基礎知識，以及記憶體中很重要的一類DRAM。
這篇會繼續講NAND、NOR和其他記憶體，以及從一個Cell（記憶體單元）到最終產品，記憶體產業鏈究竟是怎樣形成的？
這些基礎知識可能不好理解，但對於我們後面關於記憶體周期性、產業進展和投資機會的研究都很重要~
NAND是什麼？
DRAM解決了高速工作記憶體的問題，但斷電以後資料會消失。而檔案、照片、視訊、軟體和資料庫需要長期保存，因此計算系統還需要非易失性記憶體。NAND Flash就是目前最重要的大容量非易失性半導體記憶體技術之一。
NAND長期在解決什麼問題？
NAND技術演進的一個核心目標，是降低每bit資料對應的成本。換句話說，就是在有限晶片面積裡存下越來越多的資料。
長期看主要有兩條路徑。一條是讓一個Cell（記憶體單元）保存更多bit。另一條是在相同平面面積中放入更多Cell（記憶體單元）。
第一條路，一個單元存更多資料
最早，一個Cell（記憶體單元）只需要區分兩種狀態。這種產品叫SLC（單層單元）。每個Cell保存1bit，因此只需要區分2種狀態。
繼續提高資訊密度以後，出現了MLC（多層單元）。每個Cell保存2bit，需要區分4種狀態。
再之後的TLC（三層單元）每個Cell保存3bit，需要區分8種狀態。QLC（四層單元）每個Cell保存4bit，需要區分16種狀態。
一個Cell保存4bit，依靠的是更加精細地區分不同電荷和閾值狀態。如果說SLC只需要分辨黑和白，QLC就需要在同樣範圍內分辨16種不同灰度。
每個Cell能夠保存的資料越來越多，單位容量成本隨之下降。與此同時，每種狀態之間的安全空間變小，對電壓控制、讀取精度和糾錯能力的要求提高，耐久性和可靠性也會面臨更多約束。
因此，SLC、MLC、TLC和QLC長期服務於不同應用，不同客戶會在成本、容量、性能和壽命之間做不同取捨。
第二條路，同樣的土地蓋更多層樓
另一條路線是增加單位面積能夠容納的Cell（記憶體單元）數量。
早期NAND主要採用平面結構，也就是2D NAND（二維NAND）。隨著Cell越來越小、相互距離越來越近，繼續依賴平面縮放提高密度變得越來越困難。行業於是開始向垂直方向發展。這就是3D NAND（三維NAND）。
可以把2D NAND理解成一片不斷縮小房屋面積的平房社區。土地上的平房越來越密以後，增加容量的辦法逐漸轉向蓋樓。3D NAND把大量記憶體Cell（記憶體單元）沿垂直方向堆疊起來。
層數越多，同樣的晶圓平面面積可以容納更多Cell。但樓越高，製造難度也隨之提高。3D NAND需要沉積大量高度一致的多層薄膜結構，還需要形成穿過大量層結構的深孔和垂直通道。這些通道很深，同時又很窄，對深寬比、側壁形貌、尺寸一致性和後續填充提出很高要求。因此，NAND從2D走向3D以後，技術進步越來越依賴複雜三維結構的製造能力。
所以，NAND提高記憶體密度可以歸結為兩個方向。一個方向提高每個單元承載的資訊量，從SLC走向MLC、TLC和QLC。另一個方向提高單位平面面積能夠容納的記憶體單元數量，從2D NAND走向層數不斷增加的3D NAND。
前者提高資訊密度，後者提高空間密度。
3D NAND VS HBM
兩者雖然都涉及垂直堆疊，發生的技術層級不同。3D NAND是在一顆NAND Die內部把Cell（記憶體單元）做成立體多層結構。HBM則是在封裝階段把多顆獨立DRAM Die垂直整合。
前者提高單顆NAND Die的記憶體密度。後者提高DRAM的整合密度，並支援與計算晶片之間更高頻寬的資料交換。
NAND VS SSD
NAND負責把資料長期保存下來。但一台電腦真正需要的記憶體裝置，還必須解決很多額外問題。
NAND具有特定的寫入和擦除規則。Cell（記憶體單元）經過大量擦寫以後會逐漸老化。晶片內部也可能出現無法繼續使用的壞塊，讀取過程中還可能產生需要糾正的資料錯誤。所以一塊SSD固態硬碟除了NAND，還需要SSD Controller（SSD控製器）和Firmware（韌體）共同管理整套記憶體裝置。
SSD控製器和韌體主要解決三類問題。
第一是地址管理。FTL（快閃記憶體轉換層）把作業系統看到的邏輯地址對應到NAND內部真正的物理位置。
第二是壽命和空間管理。Wear Leveling（磨損均衡）儘量把擦寫分散到不同Cell，Bad Block Management（壞塊管理）負責識別並避開失效區域，Garbage Collection（垃圾回收）則持續整理可以重新利用的記憶體空間。
第三是資料可靠性。ECC（錯誤糾正碼）負責識別和糾正一定範圍內的資料錯誤。
NAND提供保存資料的物理介質，控製器和韌體負責管理NAND的物理限制。因此，即使使用相近的NAND顆粒，不同SSD在性能、壽命、穩定性和企業級應用能力上仍然可能存在明顯差異。
NAND最後會變成那些產品？
NAND並不只進入SSD。個人電腦和伺服器常見的是SSD。智慧型手機大量使用UFS（通用快閃記憶體記憶體）。部分嵌入式和消費電子裝置使用eMMC（嵌入式多媒體卡）。此外還有USB 隨身碟、記憶體卡等產品。它們都可以使用NAND作為核心記憶體介質，但介面、控製器、產品形態和性能要求不同。
NOR 和其他記憶體
已經有大容量NAND，為什麼NOR和EEPROM仍然長期存在？
關鍵在於不同應用對容量、隨機訪問、程式碼執行和資料保持能力的要求不同。
NOR VS NAND
NAND和NOR都屬於Flash記憶體。
NAND更適合大容量資料記憶體。它能夠做到更高密度和更低單位容量成本，適合保存大量檔案和資料。NOR則更適合快速隨機讀取程式碼。很多MCU（微控製器）、汽車電子、工業裝置和IoT（物聯網）裝置，都需要在啟動後快速讀取並執行一段程序。這些場景需要保存的資料量可能不大，卻非常重視隨機讀取、程式碼執行和可靠性。NOR因此長期承擔韌體、啟動程式碼和嵌入式程序記憶體等任務。
EEPROM
EEPROM適合保存容量較小、斷電後需要長期保留、同時還需要偶爾修改的資料。例如裝置配置、校準參數和系統設定。這類資料量通常很小，沒有必要使用大容量NAND，但又需要能夠重新寫入，因此EEPROM仍然廣泛用於裝置配置、校準參數等場景。
新型記憶體
產業界還在持續探索MRAM和PCRAM等新型記憶體技術。它們希望在速度、密度、功耗和非易失性之間形成新的組合。
例如MRAM利用磁性狀態保存資訊，希望同時獲得較高速度和斷電保存能力。PCRAM利用材料不同相態下的電阻變化保存資料。目前MRAM和PCRAM主要用於部分特定場景，尚未在成本、密度和規模製造上全面替代DRAM或NAND，因此大容量半導體記憶體仍然以DRAM和NAND為主。
記憶體產業鏈的構成
從底層Cell到最終的記憶體條、HBM和SSD，中間還要經過晶圓製造、封裝測試、控製器和模組等多個產業環節。
半導體裝置和材料是基礎
DRAM和NAND都需要經歷複雜的晶圓製造過程。其中涉及光刻、刻蝕、薄膜沉積、清洗、量測檢測等大量半導體裝置，以及矽片、光刻膠、電子特氣、濕電子化學品等材料。
半導體裝置和材料是完成記憶體單元、記憶體陣列和外圍電路的晶圓製造的基礎。
記憶體原廠完成從Cell到Die的製造
真正的記憶體晶片製造商負責設計和生產DRAM、NAND等核心記憶體晶片。這類企業需要掌握記憶體單元設計、製造工藝、晶圓廠營運、良率控制和大規模量產。三星、SK海力士、美光、鎧俠等屬於全球主要記憶體原廠。中國的長江記憶體主要佈局NAND，長鑫記憶體主要佈局DRAM。
需要注意的是，一家企業銷售SSD、記憶體條或者記憶體模組，並不意味著它擁有DRAM或者NAND晶圓製造能力。記憶體原廠、控製器公司、模組公司、封裝廠和品牌商處在不同產業環節。所以研究一家記憶體公司時，首先需要確認它究竟控制了那一層技術和產品。
封裝測試把Die變成可以使用的晶片
晶圓製造完成以後，需要經過切割形成Die。這些Die再經過封裝和測試，成為可以進一步使用的記憶體晶片。普通DRAM和NAND會在這裡形成我們通常所說的記憶體顆粒。HBM則進一步增加了多Die堆疊和TSV互連等複雜過程。
控製器和韌體讓NAND變成完整記憶體系統
NAND顆粒進入SSD、UFS等完整產品之前，還需要控製器和韌體完成地址管理、磨損均衡、壞塊管理、糾錯和性能調度。控製器廠商、韌體能力和模組設計因此構成了NAND原廠之外的另一層產業分工。
最終形成不同產品
DRAM可以進一步進入DDR記憶體條、LPDDR移動記憶體、GDDR視訊記憶體和HBM等不同產品體系。NAND可以進一步形成SSD、UFS、eMMC、USB 隨身碟和記憶體卡。這些產品最終進入手機、PC、GPU、伺服器、資料中心、汽車和工業裝置。
所以從最底層到最終產品，整個記憶體產業大致可以沿著這樣一條鏈條理解：
bit -> Cell 記憶體單元-> 記憶體陣列 -> DRAM、NAND等Die -> 封裝後的記憶體晶片 -> 控製器、韌體和介面 -> DDR記憶體、LPDDR、GDDR、HBM、SSD、UFS等產品 -> 手機、PC、GPU、伺服器、汽車和工業裝置。
結語
到這裡，研究記憶體行業所需要的基礎知識就介紹完了。下一篇，我會從過去幾輪記憶體周期開始復盤，看看這個行業為什麼歷史上始終逃不開周期。 (清見涵AI產業觀察)