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近日，存儲模塊公司消息人士透露，三星已通知客戶，打算將512Gb NAND閃存晶圓的報價提高到1.60美元，較年初上漲15%，這一變化最早可能在8月中旬反映在現(xiàn)貨市場價格中。
過去的幾個季度，存儲器市場經(jīng)歷了15年來最嚴(yán)重的低迷期，自2021年第三季度以來，DRAM和NAND的平均售價（ASP）分別下跌了57％和55％，在2023年初NAND價格達(dá)到0.05美元/GB。
不過，Yole旗下Yole Intelligence在其《2023存儲器行業(yè)現(xiàn)狀》報告中聲稱，物極必反，存儲器市場有望進(jìn)入一個新的增長階段，預(yù)計到2023年下半年將觸底反彈。而中國的存儲器廠商更是雄心勃勃，將在全球存儲器市場復(fù)蘇過程中扮演主要的角色。
緊張局勢不斷升級，中國企業(yè)狀態(tài)良好
DRAM和NAND的價格2022年全年業(yè)績?nèi)缦拢篋RAM和NAND收益分別下降至約797億美元（年同比下降15%）和約587億美元（年同比下降12%）；而NOR閃存的收益年同比下降8%，至32億美元。
Yole Intelligence首席技術(shù)與市場分析師Simone Bertolazzi博士解釋說：“最嚴(yán)重的下滑始于2022年第二季度的最后幾周，當(dāng)時需求側(cè)在全球性沖突、高通脹、中國新冠疫情封控等各種因素共同作用下，形成了一場完美風(fēng)暴，對存儲器市場造成了巨大沖擊。”
為應(yīng)對市場不測，供應(yīng)商們開始減產(chǎn)，到2023年底可達(dá)到市場平衡。然而，到目前為止，這造成了巨大的財務(wù)損失，供應(yīng)商們需要比平時更長的恢復(fù)時間才能再次增加投資。因此，2024年和2025年的市場特征將是供不應(yīng)求和價格攀升，預(yù)期收益將會飆升。
2020-2023年NAND和DRAM資本支出（10億美元）
2023年DRAM收益將降至420億美元（年同比下降47%），NAND收益將降至370億美元（年同比下降37%），到2025年，存儲器的總收益預(yù)期將從2022年的1440億美元增長至2025年的超過2000億美元，創(chuàng)出新高。
2022-2024年按技術(shù)細(xì)分的存儲器市場收入
自2022年下半年存儲器衰退周期以來，三星和SK海力士進(jìn)一步削減了NAND的產(chǎn)量。不過，面對貿(mào)易戰(zhàn)緊張局勢不斷升級，中國企業(yè)并沒有示弱，依然狀態(tài)良好。根據(jù)美國商務(wù)部（DoC）2022年10月出臺的出口管制政策，對先進(jìn)芯片和芯片設(shè)備作出了嚴(yán)格限制。新規(guī)定要求美國供應(yīng)商獲得向在中國運營的生產(chǎn)商交付和支持128L及以上NAND設(shè)備的許可證。
中國存儲器廠商面臨著強(qiáng)大的阻力，產(chǎn)量增長的前景變得不確定，被列入美國的“實體清單”的長江存儲和長鑫存儲的晶圓總產(chǎn)能可能在未來五年內(nèi)限制在約18億片（pm）。面對未來的不確定性，長江存儲和長鑫存儲做出了相應(yīng)的反應(yīng)，制定了技術(shù)路線圖和近期投資計劃。
中國雙龍出海
長鑫存儲是國內(nèi)的DRAM IDM龍頭，有機(jī)會追趕國際巨頭。從技術(shù)上看，其核心技術(shù)是來自奇夢達(dá)遺留的DRAM專利，后來為了規(guī)避可能存在的專利風(fēng)險，長鑫存儲投入25億美元研發(fā)費用對原有芯片架構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計?；谶@一專利技術(shù)，長鑫存儲成功量產(chǎn)19nm工藝DDR4和LPDDR4，成為全球第四家具備20nm以下工藝DRAM產(chǎn)品的廠商，也是目前中國大陸唯一自主生產(chǎn)DRAM的廠商。
長鑫存儲從2019年開始量產(chǎn)第一代10nm（1x或18-19nm）DRAM，兩年后其良率仍停留在75%的水平。目前，合肥長鑫的17nm工藝DDR5內(nèi)存芯片良率已達(dá)到40%，尚未量產(chǎn)。
前不久，彭博社介紹了長鑫存儲IPO情況，有望今年登陸科創(chuàng)板的長鑫存儲估值將不低于1000億元人民幣（約合145億美元）。對于一家成立才六年的公司來說，這是一個驚人的數(shù)字。在全球存儲器產(chǎn)業(yè)的大背景下，這件事表明了跨國存儲器供應(yīng)商的資本支出將在兩年內(nèi)輕松超過10億美元。
Simone Bertolazzi也判斷說：“盡管中國存儲器行業(yè)的未來仍不確定，但很明顯，存儲器將繼續(xù)成為中國半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)的戰(zhàn)略重點。中國將盡一切可能保持其主力存儲器公司長江存儲和長鑫存儲的活力和運營。”
長江存儲是一家專注于3D NAND閃存設(shè)計制造一體化的IDM企業(yè)，其自主技術(shù)與國際頂尖水平的差距更小。盡管面臨著非常具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境，長江存儲還是取得了重大進(jìn)展。2022年長江存儲的全球市占率約為5%，成為世界第6大NAND制造商，排名三星電子、SK海力士、鎧俠、西部數(shù)據(jù)和美光之后。
問題在于，雖然還沒有占據(jù)顯著的市場份額，長江存儲卻已被主要玩家視為了一種威脅。自2016年成立以來，長江存儲利用技術(shù)優(yōu)勢迅速崛起，不斷與三星、SK海力士、美光科技、西部數(shù)據(jù)和鎧俠等歷史玩家進(jìn)行競爭，并在與美國的雙邊貿(mào)易緊張局勢中首當(dāng)其沖受到影響。
2022年9月，蘋果稱已批準(zhǔn)將長江存儲生產(chǎn)的3D NAND閃存在其即將推出的iPhone 14智能手機(jī)中使用。長江存儲的技術(shù)水平將確保蘋果下一代產(chǎn)品的閃存供應(yīng)穩(wěn)定。如果長江存儲真的得到了這個芯片訂單，很有可能一舉超過三星、SK海力士等企業(yè)，成為全球最大的儲存芯片供應(yīng)商。
不過，2022年12月，在美國一些人對蘋果“是一種背叛”的指責(zé)聲中，蘋果“變臉”放棄了長江儲存的芯片。與三年前的華為一樣，長江存儲也上了美國實體清單。
中國對“實體清單”的限制反應(yīng)迅速，2023年一季度末，長江存儲啟動代號為“武當(dāng)山”的反擊計劃，目的是使用國產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)先進(jìn)的存儲芯片,以實現(xiàn)中國芯的自給自足。此舉大大加強(qiáng)了與中國設(shè)備供應(yīng)商的合作，包括北方華創(chuàng)，并從國家支持的投資者那里獲得了約70億美元資金。
長江存儲的核心技術(shù)優(yōu)勢
長江存儲NAND內(nèi)存的核心是Xtacking?架構(gòu)，其所有3D NAND芯片都采用Xtack方法制造。Xtack要使用兩個單獨的晶圓，而傳統(tǒng)上只使用一個晶圓。它通過將CMOS die（晶粒）和NAND陣列晶圓面對面連接來構(gòu)建NAND die，兩個晶圓使用金屬焊盤結(jié)合在一起。由于兩個晶圓可以同時制造，有助于制造商在存儲器需求高的情況下縮短生產(chǎn)周期。
die截面圖顯示了交替的鎢字線（Word Line）和SiO（柵絕緣）層的兩層疊層相繼形成。采用這種方法可以減少高縱橫比蝕刻。如果是構(gòu)建在一個層面中，蝕刻溝道縱橫比將為109:1，會導(dǎo)致非常復(fù)雜的溝槽蝕刻和填充工藝，以及更高的蝕刻缺陷數(shù)。
該策略最終在良率損失和重復(fù)蝕刻工藝引起的成本之間找到了正確的平衡。在垂直NAND串中可觀察到253條字線；128層形成Deck 1（層面1），125層形成Deck 2。除了232個有源層之外，其余的有源層被劃分為虛設(shè)層和選擇層。
長江存儲128層和232層die截面SEM視圖
長江存儲采用混合直接鍵合技術(shù)構(gòu)建無化學(xué)物質(zhì)的銅到銅互連，將存儲器制造過程中的晶圓連接在一起。介電材料和來自兩個晶圓的銅金屬之間的物理相互作用形成了牢固的鍵合。
通過表面的等離子體處理和熱/退火工藝進(jìn)一步加強(qiáng)了鍵合界面。通過這種技術(shù)，長江存儲能夠?qū)⒑副P間距縮小到0.8μm。此外，精確的焊盤對準(zhǔn)使22nm焊盤失配僅占焊盤表面的6%。
長江存儲232層die截面交替鎢字線和氧化物層-SEM視圖
從232層3D NAND存儲器的關(guān)鍵特性及對比分析來看，由于進(jìn)一步掌握了Xtack技術(shù)，長江存儲的第四代存儲芯片具有更快的I/O傳輸速度和更高的存儲密度。
自第二代die以來，堆疊設(shè)計與最小化的焊盤和字線間距相結(jié)合，使長江存儲能夠?qū)⒋鎯γ芏忍岣?.5倍。15.47Gb/s2的232層NAND芯片吊打了三星和美光176層3D NAND，后者分別僅達(dá)到10.9Gb/s2和10.29Gb/s2。
長江存儲232層die截面Xtacking焊盤界面SEM視圖
對于從一代到下一代（32、64和128GB）翻了一番的容量，長江存儲的die面積沒有太大變化（增加約5%到10%）。由于層數(shù)增加了一倍，die厚度也會增加一倍。為了最小化堆疊的總高度，與上一代相比，長江存儲將字線間距減少了20%。
AI算力爭霸，存儲芯片巨頭升級加快
在人工智能（AI）領(lǐng)域，自去年英偉達(dá)發(fā)布世界首款采用HBM3的GPU H100以來，HBM3及更先進(jìn)HBM芯片的熱度一直居高不下，生成式AI的開發(fā)和商業(yè)化競爭日益加劇，對AI相關(guān)存儲的需求大幅增加。首當(dāng)其沖的是HBM（高帶寬存儲器），從近日SK海力士和三星的最新財報即可見一斑。
雖然今年的重頭戲是縮減開支，但存儲芯片巨頭對HBM的投資相當(dāng)舍得。掌控全球90% HBM芯片市場的兩家大廠均表態(tài)，計劃明年將HBM芯片產(chǎn)量翻一番。
HBM屬于DRAM的分支，采用堆疊工藝提高圖形處理器（GPU）等計算芯片的帶寬和性能，具有尺寸更小、功耗更低、帶寬更高、處理數(shù)據(jù)速度更快等優(yōu)勢。
自2013年開發(fā)出全球首款HBM芯片以來，SK海力士一直處于領(lǐng)先地位。之后SK海力士與三星開始了激烈的HBM搶位，爭相量產(chǎn)HBM2、HBM2E等芯片。根據(jù)TrendForce數(shù)據(jù)，2022年SK海力士占有全球HBM市場50%份額，三星為40%，美光排名第三占10%。
TrendForce預(yù)測，2023年全球HBM芯片需求將增長60%，達(dá)到2.9億GB，2024年將增長30%，2025年有望超過20億美元。行業(yè)分析公司SemiAnalysis也指出，HBM的價格約為標(biāo)準(zhǔn)DRAM芯片的5倍，利潤豐厚，預(yù)計到2026年HBM全球存儲器收入比例將從目前的不到5%增長到20%。
混合鍵合是下一代存儲器的關(guān)鍵
Yole認(rèn)為，到2030年，DRAM有望實現(xiàn)3D。2022年，三星、SK海力士和美光都在大量出貨10nm級1α（alpha）節(jié)點DRAM。SK海力士和三星已采用EUV光刻技術(shù)制造DRAM，而美光最終將從1γ（gamma）工藝節(jié)點開始使用。
在NAND業(yè)務(wù)中，所有領(lǐng)先的公司都引入了3D NAND技術(shù)，這些技術(shù)依賴于優(yōu)化邏輯電路面積和位置的特定策略，如CMOS Under Array（CuA，陣列下CMOS）和晶圓到晶圓鍵合解決方案，例如長江存儲的XtackgTM。如今，所有存儲器制造商都在研發(fā)混合鍵合，主要NAND供應(yīng)商已將其納入路線圖：鎧俠和西部數(shù)據(jù)已宣布其218L 3D NAND一代，美光于2022年與Adeia簽訂了許可協(xié)議，SK海力士宣布混合鍵合將于2025年進(jìn)入量產(chǎn)。
不過，混合鍵合尚未在當(dāng)前一代HBM中使用，但未來幾年將需要它來繼續(xù)提高存儲器帶寬和功率效率，并最大限度地減少HBM堆疊厚度。Yole預(yù)測，HBM制造商將從HBM3+一代開始采用混合鍵合，每個堆疊有16個DRAM die。
所有主要DRAM制造商都在研究單片3D DRAM，并將其作為長期DRAM擴(kuò)展的潛在解決方案，并已納入主要設(shè)備供應(yīng)商的路線圖中。Yole相信，3D DRAM一定會實現(xiàn)，但不會在未來五年內(nèi)實現(xiàn)。
2022-2028 NAND和DRAM量產(chǎn)路線圖
中國廠商繼續(xù)發(fā)力
業(yè)界認(rèn)為，長江存儲的232層3D NAND存儲器是一項意想不到的技術(shù)突破。它在推出第二代64層3D NAND——當(dāng)時業(yè)內(nèi)存儲密度最高的芯片，僅用了三年時間，就上演了一場技術(shù)政變，發(fā)布了具有232字線層和有史以來最高存儲密度的新器件，打破了紀(jì)錄。
既然混合鍵合是實現(xiàn)下一代3D NAND和HBM未來趨勢的關(guān)鍵，既然到2030年DRAM有望實現(xiàn)3D，而長江存儲在2020年2月就申請了《混合晶圓鍵合方法及其結(jié)構(gòu)》專利，2021年10月又與美國專利公司Xperi達(dá)成專利授權(quán)協(xié)議，獲得了后者的DBI混合鍵合技術(shù)相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)，而且長江存儲的Xtacking?也是混合鍵合最典型的應(yīng)用，我們有理由相信，中國存儲器廠商有望在白熱化的競爭中更進(jìn)一步，實現(xiàn)更大的突破！
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