全球首颗！中国研发全新架构闪存芯片

它将如何改写全球存储产业格局？

2024年初,一条来自中国半导体产业的消息震惊全球：长江存储科技（YMTC）正式发布全球首款采用“Xtacking 3.0”架构的232层NAND闪存芯片，这不仅是中国存储芯片产业首次在架构创新上实现全球领跑，更标志着全球闪存技术正式从“平面堆叠”向“三维集成+架构重构”的新纪元跨越，当三星、SK海力士等国际巨头还在加速192层、232层堆叠时，中国工程师用“颠覆性架构设计”撕开了被日美企业垄断30年的技术壁垒——这颗芯片背后，究竟藏着怎样的技术革命？它又将如何重塑全球存储产业的权力版图？

被“卡脖子”30年：闪存芯片的全球垄断与中国突围

闪存芯片,作为现代数字世界的“数据仓库”，是智能手机、数据中心、云计算、人工智能等几乎所有数字设备的“心脏”，从U盘到固态硬盘，从5G基站到自动驾驶汽车，全球每年超过3000亿美元的半导体市场中，存储芯片占比近20%，而其中NAND闪存又占据存储芯片的“半壁江山”，这个核心领域却长期被三星（韩国）、SK海力士（韩国）、美光（美国）、铠侠（日本，原东芝存储）等四家企业垄断，它们控制着全球超过95%的市场份额，技术路线、定价权乃至产能分配均由少数几家说了算。

中国作为全球最大的电子制造基地和半导体消费市场,每年进口闪存芯片的金额长期超过石油，2022年进口额高达800亿美元，对外依存度超过90%，这种“卡脖子”的困境，在2018年达到顶峰：当时美国以“国家安全”为由，对长江存储等中国企业实施技术封锁，禁止向其出口先进的光刻机、刻蚀机等关键设备，甚至限制与闪存相关的专利授权，彼时的中国存储产业，不仅面临设备断供的危机，更在架构设计、制程工艺等核心环节与国际巨头存在两代以上的差距——当时国际主流的3D NAND闪存堆叠层数为64层，而中国最先进的量产芯片仅为32层，且架构完全依赖国外授权。

“没有架构创新，永远只能跟在别人后面跑。”长江存储CEO杨士宁博士曾坦言，“堆叠层数的提升只是‘量变’，只有架构重构才能带来‘质变’。”在这样的背景下，中国存储产业开启了“从0到1”的艰难探索：2016年，长江存储成立“Xtacking架构研发中心”，集结300多名工程师，誓要走出一条自主创新的技术路线，2020年，全球首款128层Xtacking闪存芯片量产，打破了中国存储芯片“64层封顶”的魔咒；2024年，232层Xtacking 3.0芯片的诞生，更是在架构层面实现了对国际巨头的“弯道超车”。

232层芯片的“革命性突破”：不只是“堆得更高”

提到3D NAND闪存，多数人的第一印象是“堆叠层数越多越好”——就像盖楼房，楼层越高，存储密度越大，但事实上，当堆叠层数超过100层后，“楼层越高，地基越不稳”的问题就会凸显：堆叠层数增加会导致芯片内部电信号传输路径变长、读写延迟增大、功耗上升，良率也会断崖式下降，三星在2021年推出的176层闪存，就因信号干扰问题导致性能较128层提升不足20%，而SK海力士的232层芯片直到2023年底才实现量产，且架构仍沿用传统的“外围电路+存储单元分离”设计。

长江存储的232层Xtacking 3.0芯片，之所以被称为“全新架构”，核心突破在于重构了闪存的“电路拓扑结构”，传统3D NAND芯片采用“先做存储单元，再做外围电路”的串行制造工艺，就像先建好楼房再铺水电线路，层数越高，线路越复杂；而Xtacking架构创新性地采用“并行制造”模式——将存储单元（核心阵列）和外围电路（I/O控制、信号处理等）分开制造，再通过“铜-硅通孔（TSV）”技术像“拼积木”一样精准对接，这种设计带来的优势是颠覆性的：

一是存储密度实现“代际跨越”，232层Xtacking 3.0芯片的单颗芯片存储容量达到2.4TB，是128层芯片的3倍，比国际主流的232层芯片（单颗容量1.6TB）提升50%，更重要的是，其单元面积比（存储密度）达到每平方英寸16TB，较三星的176层芯片提升40%，这意味着未来用更小的芯片就能存储更多的数据，直接降低固态硬盘、智能手机等终端设备的成本。

二是读写性能“翻倍提升”，得益于外围电路与存储单元的“近距离集成”，Xtacking 3.0的I/O传输速率达到3.2Gb/s，是传统架构的2倍；随机读写延迟降至30微秒以下，比上一代产品提升60%，在数据中心场景下，单颗芯片的读写吞吐量提升3倍，能够支撑AI训练、大数据分析等高并发应用对存储性能的极致需求。

三是功耗与寿命“双优化”，传统架构因信号传输距离长，芯片功耗随堆叠层数增加呈指数级上升，而Xtacking 3.0通过缩短电路路径，将芯片工作功耗降低35%，待机功耗降低50%，其“三层电荷陷阱存储单元”设计，使数据擦写寿命（P/E Cycle）达到5000次以上，较传统浮栅结构提升20%，大幅延长了固态硬盘的使用寿命。