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2022年，美光、SK海力士、三星等相繼量產(chǎn)了232層3D NAND Flash，但是在美方的制裁之下，長存128層及以上NAND Flash的供應(yīng)鏈?zhǔn)艿絿?yán)重阻礙。在此背景之下，這些國際大廠紛紛加速邁向300層，希望能主導(dǎo)未來3D NAND Flash的技術(shù)路線。
今年8月初，SK海力士公布了其最新的321層堆疊4D NAND Flash閃存樣品。近日三星也被爆出將會在明年推出擁有超過300層堆疊的第9代V-NAND技術(shù)，未來的第10代V-NAND技術(shù)將可能達(dá)到 430層芯片。
值得一提的是，由于美方對于長江存儲（YMTC）制裁導(dǎo)致供給側(cè)產(chǎn)能的下降，原有的市場競爭機(jī)制被美國的行政令所打破，三星等海外存儲器企業(yè)正在考慮重新漲價。據(jù)中國臺灣媒體DigiTimes報道去年12月報道稱，在YMTC被制裁后，三星馬上就將其3D NAND Flash的報價提高了10%。
隨著三星、SK海力士等大廠紛紛向更具競爭力的超過300層、400層堆疊的3D NAND Flash邁進(jìn)，而長江存儲受到制裁成本進(jìn)一步提高，海外存儲器企業(yè)很可能將進(jìn)一步占領(lǐng)市場。
300層意味著什么? 更低的成本+高大的市場份額
自從NAND Flash閃存引入3D堆疊技術(shù)以來，隨著堆疊的層數(shù)的持續(xù)攀升，使得NAND Flash的存儲密度也在持續(xù)提升，單位容量的生產(chǎn)成本也越來越低。數(shù)據(jù)顯示，每年單位面積下NAND Flash的密度都會增加約30%，使得每bit容量的成本每年可下降約21%。盡管未來NAND Flash堆疊層數(shù)的提升可能會面臨很多制造工藝（比如高深寬比的刻蝕、鍵合等）上的挑戰(zhàn)，但預(yù)計(jì)仍將可以繼續(xù)擴(kuò)展。
△圖片來源：semianalysis
2022年5月，存儲芯片大廠美光（Micron）發(fā)布了業(yè)界首個 232 層堆棧的3D NAND芯片。隨后在2022年7月26日，美光宣布其232層堆棧的TLC閃存正式量產(chǎn)。這是全球首個量產(chǎn)的超過200層的閃存，也是業(yè)界密度最高的，達(dá)到了14.6Gb/mm2，單個die的原始容量為 1Tb（128GB），接口速度提升到2.4GB/s，寫入速度提升了100%，讀取帶寬提升75%。2022年 12月15日，美光宣布其最新的基于232層堆疊的NAND Flash閃存芯片的SSD模組——美光 2550 NVMe SSD 已正式向全球 PC OEM 客戶出貨。
△圖片來源：美光
今年6月8日，SK海力士宣布其在2022年8月開發(fā)完成的238層堆疊的NAND Flash芯片正式開始量產(chǎn)。據(jù)介紹，SK海力士238 層堆疊技術(shù) NAND Flash芯片，與上一代 176層堆疊 NAND Flash芯片相比，最高傳輸速率提升了50%達(dá)2.4Gb/s，使得整體的平均讀寫速度提升了約20%，同時制造效率也提高了 34%，使得成本競爭力顯著提升。
△圖片來源：pc.watch.impress.co.jp
今年8月8日，SK海力士宣布，借助其最新發(fā)布的321層堆疊4D NAND Flash閃存樣品，使其正式成為業(yè)界第一家完成300層以上堆疊NAND Flash閃存開發(fā)的公司。
據(jù)介紹，SK海力士321層堆疊的1Tb TLC 4D NAND Flash，相比上一代238層堆疊的512Gb 4D NAND Flash的單位容量提升了41%，延遲降低了13%，性能提升了12%，功耗降低了10%，并且生產(chǎn)效率也提升了59%。而其生產(chǎn)效率之所以能夠大幅提升59%的原因在于，數(shù)據(jù)儲存單元可以用更多的單片數(shù)量堆疊到更高，這使得在相同大小面積的芯片上達(dá)到更大儲存容量，也進(jìn)一步增加了單位晶圓上芯片的產(chǎn)出數(shù)量。
△圖片來源：pc.watch.impress.co.jp
根據(jù)SK海力士公布的資料顯示，其321層NAND Flash由三個deck（可以理解為單元串）堆疊而成，每個deck有107層堆疊。SK海力士現(xiàn)有的238層NAND Flash則是兩個deck，每個deck為119層堆棧。
△圖片來源：pc.watch.impress.co.jp
不過，目前SK海力士的這款321層NAND Flash還是樣品，真正商用還需要進(jìn)一步優(yōu)化。根據(jù)SK海力士的計(jì)劃，需要到2025年上半年才開始量產(chǎn)供貨。
相比之下，三星的超300層NAND Flash進(jìn)展則更快。三星在2022年底就已經(jīng)開始批量生產(chǎn)采用第8代V-NAND技術(shù)的產(chǎn)品，為1Tb（128GB）TLC 3D NAND閃存芯片，達(dá)到了236層，相比于2020年首次引入雙堆棧架構(gòu)的第7代V-NAND技術(shù)的176層有了大幅度的提高。其所采用的雙堆棧架構(gòu)，即在300mm晶圓上先生產(chǎn)一個3D NAND Flash堆棧，然后在原有基礎(chǔ)上再構(gòu)建另一個堆棧。
根據(jù)最新曝光的資料顯示，三星的超300層堆疊的第9代V-NAND將會沿用上一代的雙deck架構(gòu)。也就是說，三星的超300層3D NAND Flash將通過將兩個150 層堆疊的deck堆疊在一起制成。盡管制造時間更長，但堆疊兩個 150 層組件比構(gòu)建單個 300 層產(chǎn)品更容易制造。不過目前三星并未披露其超300層NAND Flash的技術(shù)規(guī)格。
三星計(jì)劃在2024年開始生產(chǎn)基于其超300層的第9代V-NAND技術(shù)的產(chǎn)品。三星還計(jì)劃會在2026年推出430層堆疊的第10代3D NAND Flash，屆時可能會采用三deck堆疊架構(gòu)。此外，三星在今年FMS 2023 技術(shù)大會上還透露，其計(jì)劃在2030年開發(fā)出1000層的V-NAND技術(shù)。
除了三星、SK海力士之外，美光、西部數(shù)據(jù)/鎧俠等NAND Flash制造商也在積極向300層以上突破，因?yàn)槿绻麄儾贿@么做，他們的單位存儲容量的NAND Flash生產(chǎn)成本將會高于三星和SK海力士，從而使得他們在市場競爭當(dāng)中處于劣勢。根據(jù)預(yù)計(jì)美光將會在2025年量產(chǎn)超過300層的3D NAND Flash技術(shù)。而西部數(shù)據(jù)/鎧俠目前擁有218層的 BiCS Gen 8 技術(shù)，至于何時會推出超300層的技術(shù)尚不確定。
更高的堆疊層數(shù)的3D NAND Flash，意味著單die的存儲位元密度和容量都將大幅提升，同時單位容量的存儲位元的制造成本也將得到大幅降低。這將直接為率先量產(chǎn)300層以上的3D NAND Flash芯片的三星和SK海力士帶來更強(qiáng)的產(chǎn)品競爭力。
鑒于目前三星和SK海力士兩家韓國廠商就已經(jīng)占據(jù)了全球超過50%的3D NAND Flash市場，率先量產(chǎn)300層以上的3D NAND Flash也將有望幫助他們進(jìn)一步提升市場份額，鞏固他們在市場上的壟斷地位。
需要指出的是，隨著3D NAND Flash堆疊層數(shù)的持續(xù)提升，也將會面臨技術(shù)架構(gòu)及制造工藝上的挑戰(zhàn)，比如在轉(zhuǎn)向CBA架構(gòu)（CMOS 鍵合陣列）以及在高深寬比的刻蝕、沉積等方面。
轉(zhuǎn)向CBA架構(gòu)
過去傳統(tǒng)的NAND Flash制造是只使用一塊晶圓，NAND 陣列和CMOS電路的集成要么是將CMOS電路放置在單元陣列旁邊（CMOS Next Array 或 CAN），要么將CMOS電路放置在 NAND 陣列 (CUA) 下方。大多數(shù) NAND 供應(yīng)商在其最初的 3D NAND 工藝中實(shí)施 CAN 方法，然后在后續(xù)工藝中遷移到 CUA。僅美光和英特爾 (Solidigm) 在 32 層 3D NAND 路線圖之初就實(shí)施了 CUA。隨著3D NAND技術(shù)堆疊到128層甚至更高，外圍CMOS電路所占據(jù)的芯片面積或?qū)⑦_(dá)到50%以上。為了解決這一問題，YMTC（長存）在2018年推出了全新的Xtacking技術(shù)，推動了高堆疊層數(shù)的3D NAND制造開始轉(zhuǎn)向了CBA（CMOS 鍵合陣列）架構(gòu)。
CBA 架構(gòu)則是通過將兩塊獨(dú)立的晶圓分別制造NAND陣列和外圍CMOS邏輯電路，然后將CMOS邏輯電路堆疊在NAND陣列之上，二者之間的垂直連接則需要相應(yīng)的鍵合技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，形成間距為10μm 及以下的互連，且不會影響 I/O 性能。另外，由于兩種類型的芯片可以在不同的生產(chǎn)線上制造，因此可以使用各自優(yōu)化的工藝節(jié)點(diǎn)分別生產(chǎn)，不僅可以縮短生產(chǎn)周期，還可以降低制造復(fù)雜度和成本。此外，CBA 架構(gòu)也使得每平方毫米的存儲密度、性能和可擴(kuò)展性可以進(jìn)一步提高。
但是，從傳統(tǒng)的單片生產(chǎn)，轉(zhuǎn)換到CBA 架構(gòu)，需要增加對新的潔凈室空間和設(shè)備的額外投資。盡管成本高昂，但隨著使用傳統(tǒng)方法實(shí)現(xiàn) 3D NAND 擴(kuò)展變得越來越困難，所有主要3D NAND Flash供應(yīng)商都將會轉(zhuǎn)向CBA架構(gòu)，升級混合鍵合技術(shù)。
作為率先轉(zhuǎn)向CBA架構(gòu)的YMTC來說，其在CBA架構(gòu)方向上已經(jīng)進(jìn)行了大量的投資，不僅其自研的Xtacking技術(shù)已經(jīng)進(jìn)展到了3.0版本，其斥巨額投資的生產(chǎn)設(shè)施也是圍繞著CBA架構(gòu)的需要來構(gòu)建的。2021年，YMTC還與Xperi達(dá)成DBI混合鍵合技術(shù)相關(guān)專利組合許可。這些方面的積極投入都成為了YMTC能夠快速在數(shù)年時間內(nèi)在3D NAND Flash技術(shù)上追平國際一線廠商的關(guān)鍵。
鎧俠和西部數(shù)據(jù)是繼YMTC之后首批采用CBA 架構(gòu)技術(shù)大規(guī)模生產(chǎn)3D NAND Flash 產(chǎn)品的主要制造商，他們發(fā)布的BiCS8 就是基于CBA 架構(gòu)。此外，SK海力士和美光也分別在2020年和2022年向Xperi（子公司Adeia）拿到了混合鍵合技術(shù)的授權(quán)。
根據(jù)Yole Intelligence今年7月發(fā)布的研究報告顯示，其預(yù)計(jì)三星、SK海力士、美光和西部數(shù)據(jù)/鎧俠都將在2026年量產(chǎn)基于CBA 架構(gòu)的300層以上的3D NAND Flash。并預(yù)計(jì)三星將在2027年量產(chǎn)400層以上的3D NAND Flash。
△圖片來源：Yole Intelligence
但是，從三星和SK海力士最新公布的信息來看，三星的300層以上的3D NAND Flash提前到了2024年量產(chǎn)，SK海力士也提前到了2025年上半年量產(chǎn)。這比Yole Intelligence的預(yù)測提前了一年。顯然，在長存被制裁之后，三星和SK海力士進(jìn)一步加快了邁向300層的進(jìn)程。而這無疑將進(jìn)一步擴(kuò)大對于包括長江存儲在內(nèi)的其他競爭對手的競爭優(yōu)勢。
技術(shù)挑戰(zhàn)之外
除了需要轉(zhuǎn)向CBA架構(gòu)之外，隨著3D NAND Flash堆疊層數(shù)的持續(xù)提升，也對于高深寬比的刻蝕、沉積等制造工藝帶來了更多的挑戰(zhàn)，需要半導(dǎo)體設(shè)備廠商推出更為先進(jìn)的制造設(shè)備來進(jìn)行應(yīng)對。
△圖片來源：泛林集團(tuán)
但是由于美方的持續(xù)打壓，這也導(dǎo)致了國產(chǎn)NAND Flash廠商在邁向更高堆疊層數(shù)的3D NAND Flash將面臨更大的非技術(shù)因素的挑戰(zhàn)。
隨著美國去年出臺的半導(dǎo)體新規(guī)，以及聯(lián)合日本、荷蘭對于先進(jìn)半導(dǎo)體設(shè)備的對華出口進(jìn)行了限制，同時YMTC也遭遇了美方的直接制裁，不僅相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備及零部件的獲取受到了影響，而且此前購買的一些設(shè)備也面臨不能交貨或無法使用困境。即便是能夠切換其他可以采購到的設(shè)備，也必然會影響到生產(chǎn)，并且會帶來額外的成本。
作為轉(zhuǎn)向CBA架構(gòu)的領(lǐng)軍企業(yè)及Xtacking技術(shù)開創(chuàng)者，此時YMTC不僅向300層升級發(fā)展受限（比如所需的先進(jìn)的刻蝕設(shè)備采購受限），這將意味著難以通過進(jìn)一步的技術(shù)升級來降低3D NAND Flash成本。同時，原有128層以上的繼續(xù)生產(chǎn)也受限，當(dāng)下的生存也面臨較大壓力。如果無法繼續(xù)采用CBA架構(gòu)，那么YTMC則需要另辟蹊徑，這必然需要帶來更大的研發(fā)投入和額外的生產(chǎn)設(shè)施投資。再疊加近兩年來NAND Flash市場的需求和價格的持續(xù)下滑影響，對于YMTC帶來了極大的成本壓力和財(cái)務(wù)壓力。
所幸的是，近期NAND Flash市場開始出現(xiàn)回暖跡象。TrendForce的數(shù)據(jù)顯示，在下半年供應(yīng)商大幅削減產(chǎn)量后，NAND Flash 現(xiàn)貨價格不再出現(xiàn)低價交易，連續(xù)數(shù)周出現(xiàn)止跌趨勢；本周現(xiàn)貨市場 512Gb TLC wafer 現(xiàn)貨上漲 0.28%，來到1.440 美元。三星近日也被傳出將要對NAND Flash漲價8~10%的消息，國內(nèi)的存儲模組廠商也將配合漲價。這對于正處于困境當(dāng)中的YMTC來說，也正是一個“回血”的機(jī)會。
近幾年，在YMTC與三星等全球頭部的存儲廠商的積極競爭之下，成功將2TB的SSD價格從2000元打到了500元。可以說，在市場逆勢之下，三星等頭部大廠的降價競爭并未打敗YMTC，但是來自美方的打壓確實(shí)是給YMTC帶來了非常大的生存壓力。而手握Xtacking專利的YMTC在“CbA”的時代能否抗住供應(yīng)鏈端的重重挑戰(zhàn)和成本壓力，應(yīng)對友商300層以上產(chǎn)品的強(qiáng)力圍攻？短期內(nèi)我們恐怕還不能盲目樂觀，先要看下半年存儲價格的反彈機(jī)會長存是否能把握，畢竟先要生存，然后才能談后續(xù)的發(fā)展。
編輯：芯智訊-浪客劍
