SK海力士开发分割单元5位闪存技术

SK海力士在去年12月举行的2025年旧金山IEDM会议上展示了其最新的5位单元NAND闪存技术。该方法将3D NAND单元分割为两半，在提高位级别的同时将所需电压状态数量减少约三分之二，该公司表示这能提升速度和耐久性。

SK海力士展示的主题为"五级单元NAND的多站点单元"。该公司至少从2022年开始就在研发这种所谓的4D 2.0技术。其理念是绕过电压状态障碍，避免简单地在NAND单元中添加超过4位（QLC）的位级别。

NAND单元存储电荷，通过测量单元开始传导电流的阈值电压来读取数据。如果通过或不通过电流，这就表示二进制状态：通过/不通过，开/关，1或0。1位或单级单元（SLC）只需要两个电压状态，但每增加一位，状态数量就会翻倍：

1位SLC = 0或1 - 意味着两种状态和一个阈值电压

2位MLC = 00, 10, 01或11 - 四种状态，因此需要三个阈值电压

3位TLC = 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111 - 八种状态，因此需要七个阈值电压

4位QLC = 0000到1111 - 16种状态，因此需要15个阈值电压

5位PLC = 00000到11111 - 32种状态，因此需要31个阈值电压

增加电压状态会缩小各状态间的间隙，降低感测余量。随着每一位的增加，编程和读取单元内容需要更长时间，而存储的电子会随时间泄漏，削弱电压状态，使位级别越来越难感测，直到变得不可靠。增加额外位数时，单元磨损也会更快。

目前QLC 3D NAND闪存正在商业化生产，但PLC还没有，因为PLC单元的读取可靠性太低，耐久性也不足。但PLC是个有吸引力的想法，因为与QLC技术相比，它能为NAND芯片增加25%的容量，进而提升SSD容量。我们可以通过增加每个NAND芯片内3D NAND堆栈的层数来为SSD增加容量，但这涉及更多且困难的半导体工艺步骤。

如果PLC技术能够以比增加层数更少、更简单的工艺步骤来增加单元容量，同时避免当前技术在速度和耐久性方面的劣势，那么对NAND制造商来说就很有吸引力。SK海力士认为它找到了一种方法，通过将NAND单元有效分割为两半或两个站点，每个站点具有更少且独立的电压状态，通过结合两个站点的值来构建位值。

以下图表比较了现有的多级单元（MLC）技术与多站点单元（MSC）概念的俯视图：

这需要额外的半导体工艺步骤，比如将椭圆形单元一分为二，填补间隙以创建隔墙，并为每一半添加位线连接。

每个站点（半单元）有六个电压状态，将它们相乘得到36个总体电压状态。这些可以提供PLC闪存所需的32种状态，其中四种状态被忽略。

当两个半单元都被擦除（ERS状态）时，位值为11111。

由于每个站点只有六个电压状态，它们之间的间隙可以更大，使电子泄漏不那么成问题，并缩短编程时间。这也延长了单元的耐久性。MSC单元的两半同时、串联读取。

该公司表示，与非MSC PLC闪存相比，读取速度提高了20倍。

SK海力士实际上在2025年IEDM会议上展示了一篇半导体工程研究论文。它已经制造出了带有工作器件的晶圆，并将研究如何能够经济高效地制造PLC MSC闪存。其他闪存制造商也会如此：铠侠、美光、三星和闪迪。

评论

如果为MSC半单元提供八个电压状态，整个单元的结果将是64个电压状态（8 x 8 = 64），足以支持6位十六级单元（HLC）。这可能具有现有TLC单元的速度、类似TLC单元的耐久性，并比QLC芯片提供50%更多的容量。SK海力士的洞察文章讨论了MSC概念，SK海力士的视频对MSC技术进行了基础介绍并提供了一些图表。

Q&A

Q1：SK海力士的多站点单元技术是什么？

A：多站点单元（MSC）技术是SK海力士开发的新型NAND闪存技术，将传统NAND单元分割为两个独立的半单元或站点，每个站点具有更少的电压状态，通过结合两个站点的值来实现5位存储，既提高了容量又改善了速度和耐久性。

Q2：为什么传统5位PLC闪存难以商业化？

A：传统5位PLC闪存需要31个阈值电压，电压状态间隙过小，导致读取可靠性低、耐久性差。随着位数增加，编程和读取时间变长，存储电子泄漏问题加剧，单元磨损加快，因此目前只有4位QLC在商业化生产。

Q3：多站点单元技术相比传统PLC有什么优势？

A：MSC技术的优势包括：每个半单元只需6个电压状态而非31个，电压状态间隙更大，减少了电子泄漏问题；编程时间更短，耐久性更好；读取速度比传统PLC提高20倍；能提供与QLC相比25%的容量提升。