【快閃記憶體競爭新焦點：200層以上3D堆疊結合QLC】追逐極限的儲存容量密度

過去一年多以來，快閃記憶體正處於新一輪的技術更新轉型期。主流的SSD產品，大多用TLC與QLC記憶體結合128到192層3D堆疊，各大快閃記憶體供應商的競爭焦點，放在200層等級3D堆疊技術實用化、擴展QLC應用範圍，發展密度更高、每儲存單元保存更多位元資料的PLC記憶體，以及300層等級的堆疊技術。

在QLC方面，目前6大主要快閃記憶體供應商，包括三星、美光、SK hynix 、Solidigm、Kioxia/WD，長江儲存（YMTC），全部都已經能提供QLC記憶體產品。

在200層等級的3D堆疊技術方面，除了Solidigm，其餘主要快閃記憶體供應商都已推出200層等級的3D堆疊技術產品，發表時間最早的是美光的232層，次之是SK hynix的238層、三星的236層，這3家廠商都是在2022年下半年推出200層等級產品。

當時間進入2023年，先是Kioxia/WD在年初發表218層產品，接著長江儲存也在年底推出232層產品。

至於Solidigm，目前只有192層產品，但其儲存密度已能對應其他廠商的200層技術。

而在超過200層等級的3D堆疊技術方面，SK hynix的腳步最快，率先突破300層門檻，在2023年中發表321層堆疊的產品，而三星是在2024年初發表280層堆疊的產品。

3D堆疊與多級記憶體單元的結合

多級化儲存單元的歷史較早，MLC快閃記憶體早在1990年代後期就已問世，TLC與QLC都是在2009年左右開始被應用在產品上。

至於3D堆疊技術，雖然早在2007年便已問世，但直到2012年，才由三星率先實際應用於SSD產品，最初是採用32層堆疊與SLC的組合。從2014年起，多級化儲存單元與3D堆疊技術，便一同被應用在快閃記憶體產品上。

2014年問世的第一代「多級儲存單元+3D堆疊」快閃記憶體產品，是MLC與32層3D堆疊的結合。接著在2015年出現的第一批TLC SSD產品，則是結合48層3D堆疊，而2018年誕生的QLC SSD，最初則是搭配64層3D堆疊。經過7、8年的發展，目前市場上的產品，已達到200層等級3D堆疊結合TLC與QLC。

無論儲存單元的多級化或3D堆疊技術，都是提高儲存密度的手段，最終目的是提升快閃記憶體的位元密度（bit density），也就是單位面積內可儲存的資料量。

最早的48層堆疊TLC記憶體，位元密度能達到2.6 Gb/mm2左右，96層TLC則能超過6 Gb/mm2，128層TLC大約能達到7到8 Gb/mm2，176層TLC能突破10 Gb/mm2，最新的232層TCL則進一步提升到14 Gb/mm2以上。

而QLC與3D堆疊技術的結合，能更有效地提升位元密度，144層QLC的位元密度便超過12 Gb/mm2，176層QLC則超過14 Gb/mm2，已能與232層TLC比肩，至於最新的232層QLC，位元密度更達到20 Gb/mm2等級。

目前已實際出貨的快閃記憶體產品中，位元密度最高的款式，便是YMTC的232層QLC記憶體，擁有20.62 Gb/mm2的位元密度。

而已發表、尚未實際出貨的產品中，SK hynix的321層TLC記憶體也擁有20 Gb/mm2等級的位元密度，而三星不久前發表的280層QLC記憶體，更進一步將位元密度提高到28.5 Gb/mm2，是目前快閃記憶體儲存密度的最高紀錄，已直逼30 Gb/mm2大關。

不同技術組合的效益

我們將當前6大主要快閃記憶體供應商，旗下應用100層以上堆疊技術的快閃記憶體產品，依位元密度整理成一份表格。

從這份整理表中，我們可以看出：各廠商的技術層次相去不遠，有些起步較晚的廠商（如YMTC），雖然有「後發」優勢，容量密度較其他廠商同級產品略高，但差距並不大。

另外，就儲存單元多級化與3D堆疊技術這2種路線而言，提升容量密度的效果大致相當。

在其他條件相當時，QLC記憶體可比TLC提高30%以上的位元密度。而3D堆疊技術的每一次世代更新，大致也能提供比上一代高出30%以上的位元密度（例如從128層提高到176層，然後從176層提高到232層等）。

也就是說，QLC只需搭配較低層次的3D堆疊技術，就能得到與較高堆疊層數TLC相當的位元密度。例如Solidigm的192層QLC記憶體，位元密度就已超過其他廠商的232層或238層TLC。

但另一方面，TLC擁有效能與壽命方面的優勢，雖然儲存單元紀錄的資料量較少，但可藉由搭配更高層數的3D堆疊技術，彌補容量密度較低的缺點，因此也形成兩種不同的產品取向。

成長的路線選擇

不過，在未來的發展上，儲存單元多級化的這條路線，已經快走到盡頭。繼每儲存單元4位元的QLC之後，是每儲存單元5位元的PLC，但PLC相較於QLC，只能帶來20%的容量提升，提升幅度相對有限，然而為了記錄更多的資料位元狀態，PLC需要控制的電壓狀態數量卻隨之加倍，從而也將面臨可靠性、穩定性與壽命方面的一系列麻煩，整體效益不如先前從MLC到TLC、QLC的升級。

目前已知Kioxia（鎧俠）與Solidigm都在進行PLC快閃記憶體產品工程開發，已接近實用階段。

而在PLC開始逐漸浮出檯面之後，Kioxia已經在實驗室環境當中驗證6位元的HLC（Hexa），以及7位元的HLC（Hepta），每個儲存單元可記錄更多資料，但是都必須使用液態氮極低溫冷卻，才能維持穩定運作，還不具實用性。考慮到快閃記憶體儲存單元「超多級化」所需付出的代價，我們認為多級化這條路線，可能將止步於PLC。

相較於多級化面臨了瓶頸，3D堆疊技術這條路線，仍有相當大的發展餘裕。例如，目前200層堆疊這一層級的快閃記憶體已經量產上市，300層堆疊等級的產品也開始陸續問世，預期會在2024到2025年量產並進入市場。

目前SK hynix、三星、美光、Kioxia/WD與YMTC，都已提出400層等級以上的3D堆疊技術發展規畫，有些廠商的規畫，甚至已經提到2030年以後將達到800層以至1,000層的目標，這也意味著，相較於現在的產品，未來還有提高4、5倍的潛力。

我們依據位元密度，將6大快閃記憶體供應商的產品列於圖中，可見到各廠商的產品表現相去不遠。

3D堆疊技術的每一個世代，都會增加30%左右的堆疊層數，並帶來大致等比例的容量密度提高。112層到128層的TLC記憶體，位元密度在7到8 Gb/mm2，162層到176層TLC記憶體的位元密度便提高到10 Gb/mm2以上，接著218層到238層TLC，又進一步增加到14、15 Gb/mm2左右。

而QLC由於每個儲存單元可記錄更多資料，所以在同等堆疊層數下，位元密度又可比TLC增加30%以上。

 相關報導