存儲(chǔ)巨頭們，拼什么？

　　存儲(chǔ)器是現(xiàn)代信息系統(tǒng)的關(guān)鍵組件之一，其應(yīng)用廣泛，市場(chǎng)龐大。由DRAM與NAND Flash所主導(dǎo)的主導(dǎo)的傳統(tǒng)存儲(chǔ)市場(chǎng)規(guī)模已超過1600億美元，而且長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，DRAM和NAND仍將占據(jù)主流市場(chǎng)很久。那么存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，這兩大主流的傳統(tǒng)存儲(chǔ)技術(shù)背后的供應(yīng)商們都在比拼什么?

　　NAND Flash廠商在拼什么?

　　一、拼層數(shù)，蓋高樓

　　幾十年來，NAND Flash一直是低成本和大密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用的主要技術(shù)。這種非易失性存儲(chǔ)器存在于所有主要的電子終端市場(chǎng)，例如智能手機(jī)、服務(wù)器、PC、平板電腦和 USB 驅(qū)動(dòng)器。NAND Flash的成功與其不斷擴(kuò)展存儲(chǔ)密度和成本的能力有關(guān)，大約每?jī)赡�，NAND Flash 行業(yè)就能夠大幅提高位存儲(chǔ)密度，現(xiàn)在位存儲(chǔ)密度的進(jìn)一步增加是通過向三維過渡，2014年，3D NAND技術(shù)進(jìn)入市場(chǎng)。而為了維持NAND Flash路線圖，3D NAND Flash進(jìn)入了層數(shù)的堆疊比拼。

　　2022年是NAND閃存的35周年，而今年或許是NAND閃存又一個(gè)重要的一年�，F(xiàn)在幾乎頭部的存儲(chǔ)廠商都在制造200層以上的存儲(chǔ)芯片，甚至500層已經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)在存儲(chǔ)廠商們的路線圖中。閃存芯片中的層數(shù)越多，容量就越高。下表顯示了幾大NAND 制造商的3D NAND 的層數(shù)的主要計(jì)劃：

　　圖源：blocks&files

　　在NAND FLash領(lǐng)域，三星電子將在2022年底推出200層或更多層的第8代NAND閃存。據(jù)businesskorea的報(bào)道，有業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，三星已經(jīng)通過“雙棧”的方式獲得了256層技術(shù)。用于連接單元的孔越少，芯片丟失的數(shù)據(jù)就越少。因此，單棧技術(shù)比雙棧技術(shù)更先進(jìn)。然而，100層被認(rèn)為是單棧技術(shù)的技術(shù)極限。目前，三星電子是世界上唯一一家可以使用單堆疊方式堆疊超過 100 層(128 層)的芯片制造商。全球第二大 NAND 閃存生產(chǎn)商 SK 海力士和美國美光科技一直在使用雙堆棧技術(shù)堆疊72層或更多層。

　　業(yè)內(nèi)人士預(yù)測(cè)，三星電子將加快200層以上NAND閃存的量產(chǎn)步伐，他們表示三星電子將成為第一家通過在128層單堆棧中增加96層來發(fā)布224層NAND 閃存的芯片制造商。與 176層相比，224層NAND閃存的生產(chǎn)效率和數(shù)據(jù)傳輸速度將提高30%。

　　美光正在批量生產(chǎn)176層的閃存芯片，這是其第五代3D NAND。3D NAND是通過在垂直堆棧中將多組單元相互層疊來制造的。美光近日表示，其正在開發(fā)232層的3D NAND，并聲稱其232層技術(shù)代表了世界上最先進(jìn)的NAND，路線圖規(guī)劃到了500層(但沒具體指明時(shí)間表)。

　　美光的232層NAND芯片采用3D TLC架構(gòu)，原始容量為1Tb (128GB)。該芯片基于美光的 CuA(CMOS under array)架構(gòu)，并使用 NAND串堆疊技術(shù)在彼此之上構(gòu)建兩個(gè)3D NAND陣列。CuA的設(shè)計(jì)加上232層的NAND將大大減少美光1Tb 3D TLC NAND存儲(chǔ)器的裸片尺寸，這將降低生產(chǎn)成本，使美光能夠具有芯片定價(jià)權(quán)。

　　(圖片來源：美光)

　　西部數(shù)據(jù)和鎧俠近日表示，他們正在構(gòu)建162層的NAND，該公司計(jì)劃在2022年底推出其第6代 BiCS。西部數(shù)據(jù)聲稱他們將通過使用新材料來縮小存儲(chǔ)單元的尺寸，從而縮小芯片尺寸。西部數(shù)據(jù)計(jì)劃將這些芯片用于從USB驅(qū)動(dòng)器到PCIe 5.0 SSD的等多種產(chǎn)品中。

　　資料來源：西部數(shù)據(jù)

　　此外，西部數(shù)據(jù)還將于2024年推出具有超過200層的BiCS+內(nèi)存，與BiCS6相比，它的每個(gè)晶圓的位數(shù)將增加55%，傳輸速度提高60%，寫入速度提高15%。值得注意的是，BiCS+僅用于數(shù)據(jù)中SSD，因?yàn)樵摴�司�?jì)劃為消費(fèi)者存儲(chǔ)提供不同級(jí)別的2xx層 NAND，稱為BiCS-Y。除此之外，西部數(shù)據(jù)還表示，他們正在研究多種技術(shù)以提高密度和容量，包括 PLC，并計(jì)劃在2032年構(gòu)建500層以上的NAND。

　　SK海力士在200層的跨越上可能稍微晚些，目前為止SK海力士最新的3D NAND是512Gb 176層堆疊的3D NAND，不過早在去年3月份的IEEE IRPS上，SK海力士CEO李錫熙就已經(jīng)展望到600層。

　　國內(nèi)方面主要競(jìng)爭(zhēng)者是長(zhǎng)江存儲(chǔ)，長(zhǎng)江存儲(chǔ)這幾年的發(fā)展很快，此前長(zhǎng)江存儲(chǔ)CEO楊士寧層表示：“長(zhǎng)江存儲(chǔ)用短短3年時(shí)間實(shí)現(xiàn)了從32層到64層再到128層的跨越。長(zhǎng)江存儲(chǔ)3年完成了他們6年走過的路”。而現(xiàn)在，據(jù)Digitimes的報(bào)道，業(yè)內(nèi)人士透露，長(zhǎng)江存儲(chǔ)最近已向少數(shù)客戶交付了其內(nèi)部開發(fā)的192 層3D NAND閃存樣品。

　　這些巨頭廠商清晰明確的NAND路線圖也證明了NAND 和 SSD 市場(chǎng)的技術(shù)健康和活力。總體而言，NAND閃存供應(yīng)商都準(zhǔn)備在2022年底至2023年之間推出其200 層以上的芯片產(chǎn)品，這是該行業(yè)向更高密度3D NAND 閃存過渡的里程碑。

　　二、拼資本支出，拼產(chǎn)能

　　對(duì)于存儲(chǔ)廠商來說，重資本是行業(yè)的特點(diǎn)，產(chǎn)能的保障也是企業(yè)保持致勝的一大關(guān)鍵。而隨著NAND閃存供應(yīng)商加入200層以上NAND閃存芯片的競(jìng)爭(zhēng)，必將需要新的晶圓廠和新設(shè)備。

　　IC Insights預(yù)測(cè)今年NAND閃存資本支出將增8%至299億美元，超過2018年278 億美元的歷史新高。閃存資本支出在2017年飆升，當(dāng)時(shí)該行業(yè)向3D NAND過渡，此后每年資本支出都超過200億美元。299億美元的支出占2022年整個(gè)IC行業(yè)1904億美元資本支出預(yù)測(cè)的16%，僅落后于代工部門，該部門預(yù)計(jì)將占今年行業(yè)資本支出的41%。

　　來源：IC insights

　　新的和最近升級(jí)的NAND閃存工廠包括三星的平澤P1和P2(也用于 DRAM 和代工)，以及三星在中國西安的二期投資;鎧俠在日本巖手的 Fab 6 (Flash Ventures) 和 Fab K1;美光在新加坡的第三家閃存工廠。SK海力士為其 M15 工廠的剩余空間配備了 NAND閃存。

　　此外，據(jù)TheElec獲悉，三星計(jì)劃于今年5月初在其平澤工廠的新先進(jìn)晶圓廠P3上安裝晶圓廠設(shè)備，該公司的目標(biāo)是在今年下半年內(nèi)完成工廠的建設(shè)，消息人士稱，三星將首先在5月的第一周為NAND閃存生產(chǎn)安裝晶圓廠設(shè)備。P3是一家混合工廠，將同時(shí)生產(chǎn)存儲(chǔ)芯片和邏輯芯片，其中就包括第七代176層V-NAND芯片。預(yù)計(jì)三星未來幾年將在P3上花費(fèi)至少30萬億韓元到近50萬億韓元。

　　而SK海力士也在大連建設(shè)新的3D NAND閃存晶圓廠，該項(xiàng)目于5月16日開工。2021年底，SK海力士完成了收購英特爾NAND閃存及SSD業(yè)務(wù)案的第一階段，從英特爾手中接管了SSD業(yè)務(wù)及其位于大連的NAND閃存制造廠的資產(chǎn)。為加快推動(dòng)項(xiàng)目發(fā)展，所以SK海力士決定在大連繼續(xù)擴(kuò)大投資并建設(shè)新工廠。

　　DRAM廠商拼什么?

　　不可不爭(zhēng)的EUV

　　隨著DRAM要想進(jìn)入到10nm工藝一下，EUV儼然已成必不可少。我們也看到，三星、SK海力士和美光這三大DRAM廠商已經(jīng)先后擁抱了EUV技術(shù)。

　　三星電子基于極紫外(EUV)光刻技術(shù)的1z-nm工藝的DRAM已于今年2月份完成了量產(chǎn)。半導(dǎo)體分析機(jī)構(gòu)TechInsights拆解了采用EUV光刻技術(shù)和ArF-i光刻技術(shù)的三星1z-nm工藝DRAM，它認(rèn)為該技術(shù)提升了三星的生產(chǎn)效率，并減小了DRAM的核心尺寸。DRAM 單元尺寸和 D/R 縮放最近越來越難，但三星將 D1z 的 D/R 降低到 15.7 nm，比 D1y 縮小了 8.2%。據(jù)了解，三星還將繼續(xù)為下一代DRAM增加EUV步驟。上文中提到的三星的P3工廠也將采用EUV工藝生產(chǎn)10nm DRAM。

　　三星 DRAM 單元尺寸趨勢(shì)，D3x 到 D1z

　　(圖源：TechInsights)

　　美光有望從2024年開始生產(chǎn)基于極紫外 (EUV) 光刻工藝的DRAM 芯片，在1γ(Gamma)節(jié)點(diǎn)的有限的層數(shù)中部署 EUV，然后會(huì)將其擴(kuò)展到具有更大層采用率的1δ(Delta)節(jié)點(diǎn)。旨在通過允許制造更小的芯片特征來保持摩爾定律的存在。這一舉措有望幫助其在技術(shù)上保持領(lǐng)先于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

　　SK海力士也引入了EUV光刻設(shè)備來解決以往DUV光刻的局限性，制程工藝能輕松達(dá)到10nm以下，以此來提升生產(chǎn)效率。2021年2月1日，SK海力士完成首個(gè)用于DRAM的EUV晶圓廠M16，并引進(jìn)了EUV光刻設(shè)備。2021年7月，SK海力士宣布量產(chǎn)了1anm工藝的8千兆的LPDDR4 EUV DRAM。

　　3D堆疊成為DRAM新未來

　　但是對(duì)于DRAM來說，目前業(yè)界的共識(shí)或者面臨的挑戰(zhàn)是，在平面工藝下，DRAM最重要也最艱難的挑戰(zhàn)，就是儲(chǔ)存電容的高深寬比，儲(chǔ)存電容的深寬比通常會(huì)隨著組件工藝微縮而呈倍數(shù)增加，也就是說，平面DRAM的工藝微縮會(huì)越來越困難，即使是通過極紫外光刻 (EUV) 工藝，也不足以為整個(gè)未來十年提供所需的位密度改進(jìn)。因此，主要設(shè)備供應(yīng)商和領(lǐng)先的DRAM制造商正在考慮將單片3D DRAM(類似 3D NAND)作為長(zhǎng)期擴(kuò)展的潛在解決方案。

　　據(jù)了解，3D DRAM是將存儲(chǔ)單元(Cell)堆疊至邏輯單元上方以實(shí)現(xiàn)在單位晶圓面積上產(chǎn)出上更多的產(chǎn)量，這樣3D DRAM就可以有效地解決平面DRAM的挑戰(zhàn)。除了晶圓的裸晶產(chǎn)出量增加外，使用3D堆疊技術(shù)也能因?yàn)榭芍貜?fù)使用儲(chǔ)存電容而有效降低 DRAM的單位成本。

　　在這其中，HBM(High Bandwidth Memory，高帶寬存儲(chǔ)器)技術(shù)可謂是DRAM從傳統(tǒng)2D向立體3D發(fā)展的主要代表產(chǎn)品，使DRAM開啟了3D化道路。HBM是通過TSV技術(shù)進(jìn)行芯片堆疊，以增加吞吐量并克服單一封裝內(nèi)帶寬的限制。HBM能充分利用空間并縮小面積，并且突破了內(nèi)存容量與帶寬瓶頸。

　　據(jù)Yole的觀點(diǎn)和預(yù)測(cè)，這種新穎的3D技術(shù)將在2029-2030年期間進(jìn)入市場(chǎng)。在此之前，我們預(yù)計(jì)混合鍵合系統(tǒng)可能會(huì)開始滲透 DRAM 設(shè)備市場(chǎng)，用于制造3D堆疊 DRAM，例如高帶寬內(nèi)存 (HBM)，可能從HBM3+一代開始。

　　寫在最后

　　現(xiàn)在諸如數(shù)據(jù)中心、汽車、5G等對(duì)內(nèi)存的需求越來越大，要求也越來越高，技術(shù)的演進(jìn)也一直在滾滾向前。不同時(shí)代，不同需求下，這些存儲(chǔ)廠商們總能研發(fā)出新的技術(shù)來滿足時(shí)代的發(fā)展。當(dāng)然新型存儲(chǔ)也是時(shí)代發(fā)展的產(chǎn)物，它們不是為了取代現(xiàn)有的存儲(chǔ)解決方案，而是在延遲、生產(chǎn)力等方面對(duì)現(xiàn)有的存儲(chǔ)進(jìn)行很好的補(bǔ)充。最后說一句，存儲(chǔ)是不得不發(fā)展的國家戰(zhàn)略性高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，我國應(yīng)該抓住存儲(chǔ)器技術(shù)發(fā)展多元化的新機(jī)遇，實(shí)現(xiàn)突破。