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Floating Gate(浮栅)

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概念 ID
floating-gate
更新时间
2026-06-03
来源数量
1

Floating Gate(浮栅)

1 3 秒看懂

一句话:浮栅是 Flash 存储(NAND/NOR)的核心存储单元——利用被绝缘层完全包裹的导电层“困住”电子,实现断电后仍能保存数据。你手机里的照片、AI 大模型的 checkpoint、数据中心的冷存储,底层都依赖这个仅数十纳米厚的电子囚笼。

2 3 分钟产业解释

是什么与运作逻辑

维度说明
核心定义浮栅(Floating Gate)是夹在控制栅极与硅沟道之间的多晶硅或金属导电层,上下被 SiO₂ 绝缘层完全包围,通过 Fowler‑Nordheim 隧穿注入或释放电子来改变晶体管的阈值电压,以此区分“0”和“1”状态
所处技术链浮栅 → Flash 存储单元 → NAND/NOR Flash 芯片 → 固态硬盘(SSD)/ 嵌入式存储 → 手机 / PC / 服务器 / AI 训练数据池
与 HBM 的关系HBM(高带宽存储器)基于 DRAM 工艺,属于易失性存储,并不使用浮栅;但 AI 服务器中 HBM 负责近存计算的高速缓存,NAND Flash 负责大容量持久化存储,两者构成“内存‑存储”分层体系

为什么现在需要仔细理解浮栅

  • AI 基础设施的存力底座:训练 GPT‑4 级别模型需数 PB 数据,推理服务需 NVMe SSD 支撑低延迟索引。浮栅是 AI 数据持久化的物理根基。
  • 半导体供应链的博弈焦点:3D NAND 制造涉及高深宽比刻蚀、薄膜沉积、键合等关键设备,是中美科技竞争的前沿阵地。
  • 技术换代窗口期:浮栅本身正在被电荷陷阱(Charge Trap)技术快速替代,但三星等头部玩家仍部分坚守浮栅路线,技术路线的分野直接影响设备采购、专利布局与产能规划。

关键玩家速览

环节代表公司(2024 年公开信息)
国际 NAND IDM三星、SK 海力士、美光、铠侠(Kioxia)、西部数据
中国 NAND 厂商长江存储(YMTC);合肥长鑫(CXMT)主攻 DRAM,不直接生产浮栅型器件
核心设备商ASML、应用材料、Lam Research、东京电子(TEL)、北方华创、中微半导体
关键材料商信越化学、SUMCO、沪硅产业、南大光电(光刻胶,2023 年仍处验证期)

3 技术原理

3.1 基本结构与电荷存储机制

浮栅晶体管的基本剖面如下(以传统平面结构示意):

        ┌──────────────────────┐
        │  控制栅极 (CG, 多晶硅)  │
        ├──────────────────────┤
        │  阻挡氧化层 (SiO₂, ~15 nm) │
        ├──────────────────────┤
        │  浮栅 (多晶硅, 导电层)    │ ← 电子在此长时间驻留
        ├──────────────────────┤
        │  隧穿氧化层 (SiO₂, ~8‑10 nm) │
        ├──────────────────────┤
        │  硅沟道 (P‑substrate)   │
        └──────────────────────┘

浮栅被上下两层氧化硅完全电学隔离。写入时,在控制栅极施加高压(+15~20 V),源漏接地,强电场使沟道电子通过 Fowler‑Nordheim 隧穿穿越薄氧化层注入浮栅,导致阈值电压升高;擦除时施加反向电压,电子被拉出浮栅返回沟道,阈值电压回落。读取时施加中间电压并检测是否导通,即可判断存储态。

3.2 多值存储的实现

为提升存储密度,业界在同一个浮栅中存储多个电荷水平,对应不同阈值电压区间,实现每个存储单元 2 比特(MLC)、3 比特(TLC)甚至 4 比特(QLC)。这对隧穿氧化层的质量、电荷保持能力和外围电路的读/写精度提出极高要求。2023 年主流消费级 SSD 已广泛采用 TLC,企业级 QLC 也开始在读取密集型场景中渗透。

3.3 从平面浮栅到 3D NAND 的结构演化

阶段结构代表性技术状态
2D 平面 NAND单层浮栅阵列各厂早期产品已淘汰,受单元间串扰限制无法继续微缩
3D NAND 早期垂直堆叠浮栅层三星第一代 V‑NAND(2013 年)部分产品沿用至今
3D NAND 主流Charge Trap (CT) 或替代栅极美光 / 铠侠 / 长江存储逐渐取代浮栅成为主流路线

浮栅与电荷陷阱的关键区别:浮栅将电子储存在导电的多晶硅层中,一旦绝缘层出现漏电路径可能导致全部电荷丢失;CT 技术则将电子储存在绝缘的氮化硅(Si₃N₄)层中的深能级陷阱内,即使局部缺陷也不易引起整体失效,且更易于在 3D 堆叠工艺中集成。因此,尽管三星部分 V‑NAND 仍坚持浮栅,全行业已在向 CT 迁移。

3.4 浮栅在嵌入式领域的长期存在

在汽车 MCU、物联网安全芯片、智能卡等嵌入式 Flash 领域,浮栅结构因其成熟度和可靠性仍被广泛使用。这些场景对存储容量要求不高,但对写入寿命、数据保存温度范围有严格要求。


4 关键参数

以下参数基于 2023‑2024 年公开文献、企业公告及行业报告整理。未明确出处时标注“公开资料未见”。

参数类别具体指标典型数值/范围说明与来源
存储单元隧穿氧化层厚度(2D)~8‑10 nm物理极限影响漏电,技术文献口径
存储单元3D NAND 垂直堆叠层数(2024 年最高)236‑238 层(三星、SK 海力士)来源:三星 2024 SSD 发布会、SK 海力士 2024 官网
存储密度3D TLC NAND 存储密度> 10 Gb/mm²(2023 年行业水平)来源:TechInsights 4Q23 拆解报告
性能SSD 顺序读写速度最高 14 000 / 12 000 MB/s(PCIe 5.0 ×4 企业级)三星、美光企业级产品规格书(2024 年)
耐久性SLC/MLC/TLC/QLC 擦写次数(P/E 次)~100K / ~10K / ~3K / ~1K 次典型值,具体因工艺浮动而异
数据保持常温数据保存时间1‑10 年(工作温度范围内)行业标准 JEDEC JESD47 要求
能耗3D NAND 写入能耗约 10⁻¹² J/bit 量级学术文献估算,芯片级差异大
尺寸最新 3D NAND 芯片面积约 100‑150 mm² 封装封装类型多样,无统一口径
价格NAND Flash 合约价格2024 年均价逐步回升,具体数值以 TrendForce 为准价格波动剧烈,不宜列绝对数字
产能相关业界最大 3D NAND 月产能(三星平泽)据传约 500K+ 晶圆/月(2023 年估算,公开资料未见精确披露)三星未公开单厂产能,第三方估算不一

5 技术路线

5.1 浮栅路线:三星 V‑NAND 的坚守与改良

三星自 2013 年推出 3D V‑NAND 以来,一直采用“浮栅 + 垂直通道”结构,并在后续代际中通过材料优化(如用金属替代多晶硅浮栅)缓解浮栅的漏电和微缩瓶颈。三星 2024 年公开的 236 层 V8 V‑NAND 仍在浮栅架构下提升。选择坚守的原因包括已有庞大的专利与制造经验积累,且可通过特殊的模块化设计控制漏电。但长远来看,当堆叠层数继续推高到 300 层以上,浮栅在工艺复杂度和可靠性上面临更大挑战。

5.2 电荷陷阱(CT)路线:主流与标准化

美光、铠侠/西部数据、SK 海力士、长江存储均采用 CT 或类 CT 结构。

  • 美光:替代栅极(Replacement Gate) + CT,232 层产品采用 CMOS‑under‑array 设计,将外围电路移到存储阵列下方,提高存储密度。
  • 铠侠/西部数据:BiCS 架构,使用圆柱形 CT 单元,218 层量产中。
  • SK 海力士:4D NAND,将外围电路置于晶片下,238 层量产。
  • 长江存储:Xtacking 架构,将存储阵列与 CMOS 外围电路分别制造后使用金属键合,已量产 128 层 CT 型 3D NAND,更高层数技术进度公开资料未见

5.3 未来技术方向

方向说明潜在影响
400+ 层堆叠深宽比刻蚀、应力控制、热预算管理成瓶颈需引入新的沉积/刻蚀设备及材料
新型存储ReRAM、MRAM、铁电存储器等部分场景可替代 NAND,但成本与容量差距巨大
混合键合与晶圆级集成类似 Xtacking 的工艺或进一步普及提升 I/O 速度与设计灵活性

6 上游

上游支撑环节直接决定 3D NAND 的工艺先进性与产能规模。以下为主要细分方向及代表企业(2023‑2024 年视角)。

6.1 光刻设备

设备类型主要供应商技术壁垒对 3D NAND 的重要性
浸没式 DUV (ArF)ASML、尼康ASML 基本垄断高端 DUV3D NAND 关键层仍大规模使用 DUV,欧盟/美国出口管制影响对华供应
EUVASML独家供应部分厂商在 3D NAND 核心层引入 EUV 以降低缺陷和提升一致性,但非必需;2024 年三星、SK 海力士已部分采用,美光亦规划导入

6.2 刻蚀与薄膜沉积

设备代表国际厂商中国厂商国产化进展(2023 年口径)
高深宽比介质刻蚀Lam Research、TEL中微半导体中微 CCP 刻蚀机进入部分国际 3D NAND 产线,具备 60:1 以上深宽比能力
薄膜沉积(CVD/ALD)应用材料、Lam、TEL北方华创、拓荆科技部分设备进入国内存储产线,但先进 ALD 仍以进口为主
电镀/金属化Lam、应用材料暂无成熟替代用于填充垂直通道的钨/钴沉积

6.3 检测与量测

KLA、应用材料、日立高科在光学和电子束检测方面占据绝对优势。国产化率低,国内中科飞测、上海精测等处于追赶阶段。

6.4 关键材料

材料国际供应商中国供应商国产化率(2023 年估算)
300 mm 硅片信越化学、SUMCO沪硅产业、立昂微约 20‑30%(国内整体),存储厂对硅片缺陷密度要求极高
光刻胶东京应化、JSR、杜邦南大光电、晶瑞电材KrF/ArF 光刻胶验证中,EUV 光刻胶尚不具备
特种气体(如 WF₆、C₄F₈)林德、液化空气、SK Materials华特气体、金宏气体部分品种已通过验证导入
靶材日矿金属、霍尼韦尔江丰电子、有研新材国内在铝、铜、钛靶材上已有突破

备注:上述国产化率根据 2023 年 SEMI 中国、公开行研报告综合估算,具体企业数据以公司公告为准。


7 下游

7.1 应用场景与需求特征

场景典型存储形态关键需求2023‑2024 年趋势
智能手机UFS 3.1/4.0 嵌入式闪存高密度、低功耗、小封装旗舰机存储容量向 1 TB 推进,AI 手机端侧模型增加读写强度
PC/笔记本电脑M.2 NVMe SSD速度快、成本可控TLC 为主流,QLC 在入门级渗透
企业级 / 数据中心NVMe SSD(U.2/E1.S)高耐用、低延迟、大容量单盘容量 30.72 TB 已量产(三星 PM1743、铠侠 CM7 等)
AI 训练数据池大容量 SSD 集群 + HDD顺序读带宽、整机容量密度每台 AI 服务器配备 8‑30 TB SSD;NAND 用于数据预处理和模型 checkpoint 快速存储
推理服务高性能 NVMe SSD随机读延迟 < 100 μs用于加速特征存储和索引缓存,部分场景用傲腾替代但已停产,NAND SSD 地位增强
汽车eMMC / UFS / BGA SSD宽温、高可靠性、长寿命智能驾驶域控制器对 512 GB‑1 TB 存储需求上升

7.2 AI 驱动的 NAND 需求增长量化视角

根据 IDC 2024 年 3 月存储数据追踪报告,AI 相关基础设施建设在 2023 年为企业级 SSD 市场贡献了约 15% 的增量需求,并预计 2024 年该比例将升至 22%。但 AI 推理端是否需要如此大容量的 NAND 仍存在分歧,部分云厂商倾向采用更经济的混合存储方案。


8 受益公司

本段仅列举与浮栅/NAND Flash 产业链强相关的业务主体,不做任何价值判断与推荐。

8.1 国际 NAND 芯片制造商(IDM)

公司与浮栅的关系2023‑2024 年关键业务动态
三星电子全球最大的 3D NAND 供应商,V‑NAND 部分代际仍采用浮栅结构236 层量产,宣布计划 300+ 层;平泽园区继续扩产
SK 海力士3D NAND 产量第二,采用 CT 路线238 层量产,固态硬盘子公司 Solidigm 面向 AI 企业级市场
美光科技第三大 NAND 厂商,完全转向 CT 替代栅极232 层量产,2023 年受中国网络安全审查部分产品销售受限
铠侠 / 西部数据共享日本制造工厂,CT‑BiCS 架构218 层量产,双方在 2023 年推动合并但尚未完成

8.2 中国大陆 NAND 及存储生态

公司业务方向浮栅关联
长江存储 (YMTC)3D NAND 设计制造Xtacking CT 架构,128 层量产,受美国制裁影响先进设备获取受阻
合肥长鑫 (CXMT)DRAM 制造不涉及浮栅,与 NAND 形成存储组合
江波龙、佰维存储、金泰克等存储模组与品牌采购 NAND 原厂晶圆生产 SSD、UFS,是中国 NAND 下游生态重要一环

8.3 核心设备与材料公司(部分)

  • 国际:ASML(光刻)、应用材料(沉积、注入、CMP)、Lam Research(刻蚀)、TEL(涂胶显影、刻蚀)
  • 中国:中微半导体(CCP 刻蚀)、北方华创(PVD、CVD)、拓荆科技(CVD)、沪硅产业(大硅片)、江丰电子(靶材)

9 市场规模

9.1 NAND Flash 整体市场

年份全球 NAND 市场收入来源
2022 年~550‑600 亿美元Gartner、CFM 闪存市场(各口径略异)
2023 年~400‑450 亿美元(衰退)IDC 4Q23 全球存储追踪,TrendForce 季报
2024 年(估算)有望回升至 550 亿美元以上TrendForce 2024 年 1 月预测,受 AI 服务器和手机容量升级驱动

说明:存储市场极具周期性,2022 年下半年至 2023 年经历严重下行,价格下跌导致收入大幅缩水;2024 年随减产效应与 AI 需求回暖,行业进入复苏周期。

9.2 细分市场

细分市场2023 年规模估算增长驱动来源
企业级 SSD~120‑150 亿美元AI/云资本开支反弹、数据中心扩容IDC 2024 SSD 预测
消费级 SSD~180‑200 亿美元PC 更换周期、游戏/内容创作TrendForce
嵌入式存储(手机、IoT)~150‑180 亿美元手机容量升级、折叠屏等Counterpoint
车规存储< 20 亿美元(较小基数)L3+ 自动驾驶域数据存储需求Yole、公开报道

10 玩家对比

以下对比基于 2023‑2024 年各公司公开财报、技术发布及第三方追踪报告。

维度三星SK 海力士美光铠侠 / 西数长江存储
最高量产层数(2024 年)236 层(V8)238 层232 层218 层128 层(2022 年口径)
技术路线V‑NAND(浮栅为主)4D NAND(CT)CT 替代栅极BiCS(CT)Xtacking(CT)
全球 NAND 收入份额(2023 年)~31‑33%~20‑22%~25%~18‑20%~3‑5%(估算)
产能关键据点韩国平泽、中国西安韩国利川、清州;大连(Solidigm)新加坡、台湾(原华亚科)、日本广岛日本四日市、北上武汉(受制裁影响扩产暂缓)
企业级 SSD 布局PM1743 等支持 PCIe 5.0,大容量 30.72 TBSolidigm D7‑PS1010 等针对 AI 负载优化6500 ION / 9550 SSD 覆盖读取密集型CM7、PM6 系列,与西数双品牌公开客户主要为模组品牌厂,企业级自研产品公开资料未见
中国业务状态西安工厂正常运营大连工厂正常运营,母公司受美国出口管制限制间接影响2023 年受中国网络安全审查,部分收入受影响主要通过渠道销售实体清单限制设备进口,先进工艺推进受阻

份额数据主要来源于 TrendForce 4Q23 NAND Flash 品牌厂商收入排名及 CFM 估算,各口径可能微有差异。


11 风险

11.1 技术替代风险

浮栅在 3D NAND 中的占有率持续走低,CT 已成为新产能的默认选择。如果三星后续代际也全面转向 CT,长期固守在浮栅技术上的特有制造经验和设备需求将面临转型成本。

11.2 存储周期性风险

NAND Flash 价格历史波动剧烈。2023 年内存芯片 ASP 跌幅超 50%,厂商利润大幅收窄。即使 AI 带来结构性增量,宏观经济或云厂商资本开支的波动仍可能引发过剩。

11.3 地缘政治风险

  • 对华技术封锁:美国 2022‑2023 年多次加严对中国半导体制造设备的出口限制,直接打击长江存储 128 层以上开发与扩产。
  • 供应链武器化:美光在华受限事件表明,存储芯片可能成为贸易审查的筹码,供应链安全面临挑战。
  • 两岸关系:部分关键材料、设备物流经台湾,潜在紧张局势增加不确定性。

11.4 制造与环保风险

3D NAND 制造需大量使用全氟化合物(PFCs)等温室气体,面临严格环保法规。高能耗与水资源需求也对在中国新建晶圆厂形成制约。


12 误读纠偏

误解 1:“浮栅就是 NAND Flash” → 浮栅只是一种电荷存储结构,当前大部分 3D NAND 实际采用电荷陷阱(CT)而非浮栅。讨论时应区分。

误解 2:“HBM 也用到浮栅” → HBM 的基础单元是 DRAM 电容,完全不同于浮栅。两者在 AI 服务器中是互补关系,而非技术同源。

误解 3:“长江存储已落后且无希望” → 长江存储 128 层 Xtacking 在 2022 年已量产,且架构设计得到国际关注。制裁确实限制了其层数追赶速度,但其在 3D NAND 领域的技术积累不可忽视。至于更高层数进展,公开资料未见

误解 4:“AI 只需要 HBM,NAND 不重要” → 大模型训练和推理对持久化存储的需求巨大,模型参数、训练数据、日志、快照都需高性能 SSD。忽视 NAND 等于忽视存力半壁江山。

误解 5:“浮栅已经完全被淘汰” → 在嵌入式 Flash、智能卡、部分三星 V‑NAND 产品中浮栅仍然活跃,只不过在 3D NAND 主流高容量消费市场占比正在缩小。


13 最新事件

以下为截至 2024 年中的公开动态,仅做信息记录,不构成趋势推断。

  • 三星:2024 年宣布量产第 8 代 V‑NAND(236 层),并计划 2025‑2026 年推出超过 300 层的第 9 代 V‑NAND,继续采用浮栅改良结构。(来源:三星半导体 2024 SSD 发布会)
  • SK 海力士:238 层 4D NAND 已在企业级 SSD 中大规模交付,Solidigm 品牌推出针对 AI 的 D7‑PS1010 SSD,宣称 AI 推理延迟显著降低。(来源:SK 海力士官网 2024 新闻稿)
  • 美光:2023 年 5 月中国网络安全审查办公室要求关键信息基础设施运营商停止采购美光产品;2024 年美光仍寻求通过其他渠道服务中国非受限客户。(来源:中国网信办公告、美光财报电话会议)
  • 铠侠/西部数据:合并谈判在 2023 年因 SK 海力士反对等因素停滞,2024 年上半年未见突破性进展。(来源:日经新闻、路透社报道)
  • 长江存储:2023‑2024 年受外围设备禁运影响,未公开宣布 200 层以上量产信息;部分国内模组厂仍持续采用 YMTC 128 层 NAND 生产消费级 SSD。(来源:公开市场产品拆解、TrendForce 评述)
  • 存储价格:TrendForce 2024 年 Q1 报告显示 NAND Flash 合约价季度上涨超 20%,AI 服务器需求成为价格回升的主要动力之一,但后续走势需跟踪供应端产能恢复情况。
  • 设备出口管制动态:2024 年美国、荷兰、日本继续加强管控,中微半导体参与先进制程验证的进展受到关注。(来源:路透社、各国外贸公报)

14 跟踪指标

对于希望持续关注浮栅 / 3D NAND 产业链的读者,建议跟踪以下高频或定期指标:

指标类别具体指标频率常见来源
价格NAND Flash 现货/合约均价(TLC 512Gb 晶粒基准)周/月TrendForce、DRAMeXchange、CFM 闪存市场
供给主要厂商季度 NAND 出货量(位元增长率)季度公司财报
供给资本支出指引(三星、美光、铠侠等存储相关 CapEx)季度/年公司财报电话会
技术各厂 3D NAND 堆叠层数里程碑公布事件驱动企业发布会、ISSCC 论文
需求全球服务器出货量及 AI 服务器渗透率季度IDC / Gartner / 富邦等券商研报
需求PC、智能手机出货量(影响消费级存储)季度IDC / Counterpoint
政策美国 BIS 实体清单更新、荷兰/日本光刻机出口许可证动态事件驱动官方公报、中国商务部/外交部回应
替代新型非易失存储(MRAM/ReRAM/PCM)初创企业融资及产品化进展持续跟踪EE Times、IEDM 会议

15 信源

为确保信息可追溯,本节列出本文引用的核心数据源类别及典型机构,便于读者交叉验证。

类别推荐信源
市场与价格追踪TrendForce, IC Insights (现为 TechInsights), CFM 闪存市场, DRAMeXchange (已整合入TrendForce)
半导体设备与材料市场SEMI, Yole Intelligence, The Information Network, 中国半导体行业协会 (CSIA)
公司基本面三星、SK 海力士、美光、铠侠、西部数据、长江存储(少量公开)官网投资者关系页面及季度财报
技术文献与专利IEEE Transactions on Electron Devices, IEDM, ISSCC, 各公司专利数据库
政策与合规美国商务部工业安全局(BIS)网站、中国商务部/网信办公告、荷兰外贸部公报
拆解与技术分析TechInsights 拆解报告, 数码博主拆解视频(仅供参考,不作为财务依据)

注明:部分数据引用需注意口径差异(如“收入”含 NAND 和 DRAM 整体,需拆分),建议以原始报告为准。“公开资料未见”表示在资料可及范围内无确凿公开披露,并非暗示存在隐瞒。


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