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日前，美光發(fā)布第二季度財(cái)報(bào)，其在電話會(huì)議中美光透露，即將開始批量生產(chǎn)其基于公司新的RG（replacement gate）架構(gòu)的第四代3D NAND存儲(chǔ)設(shè)備。至此，美光，東芝，SK海力士和三星都已正式挺進(jìn)128層，甚至更高層級(jí)，存儲(chǔ)大廠們已經(jīng)為3D NAND的堆疊層數(shù)而瘋狂。
市場(chǎng)需求無疑是最大的驅(qū)動(dòng)力，隨著5G及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)正呈現(xiàn)出爆炸式的增長(zhǎng)，由此對(duì)于存儲(chǔ)的需求也越來越大。 
此前的閃存多屬于平面閃存 (Planar NAND)，我們一般稱之為“2D NAND”。巨大需求推動(dòng)下的2D NAND 工藝不斷發(fā)展，向1znm（12-15nm）逼近， 平面微縮工藝的難度越來越大，接近物理極限，但盡管如此，存儲(chǔ)密度也很難突破128GB容量。并且?guī)淼某杀緝?yōu)勢(shì)開始減弱，有資料指出，16nm制程后，繼續(xù)采用2D 微縮工藝的難度和成本已超過3D技術(shù)，因此各存儲(chǔ)大廠都在積極推出3D NAND。
來源：互聯(lián)網(wǎng)
3D NAND，簡(jiǎn)單來說，就是通過die堆疊技術(shù)，加大單位面積內(nèi)晶體管數(shù)量的增長(zhǎng)。有資料稱，3D NAND比2D NAND具有更高的存儲(chǔ)容量，若采用48層TLC 堆疊技術(shù)，存儲(chǔ)密度可提升至256GB，輕松突破了平面2D NAND 128GB 的存儲(chǔ)密度極限值。
同時(shí)還具有更高的可靠性，NAND閃存一直有著電荷之間電場(chǎng)干擾問題,導(dǎo)致需要flash control芯片透過復(fù)雜的算法來防止和糾正這么干擾帶來的錯(cuò)誤,最后拖累了資料的傳輸速度。
透過3D堆疊技術(shù)，單位儲(chǔ)存空間變大，電荷間的電場(chǎng)干擾降低，大幅提升了產(chǎn)品的可靠性，也因資料錯(cuò)誤降低，不僅提升了資料的傳輸速率，更因簡(jiǎn)化了糾錯(cuò)算法，進(jìn)而降低了功耗，一舉數(shù)得。進(jìn)一步凸顯了成本效益。
來源：三星
在主要的NAND廠商中，三星于2013年8月就已經(jīng)宣布進(jìn)入3D NAND量產(chǎn)階段，2014 年第 1 季正式于西安工廠投產(chǎn)。其他幾家公司在3D NAND閃存量產(chǎn)上要落后三星至少2年時(shí)間。
東芝、美光、SK海力士2015年正式推出3D NAND閃存。Intel 2016年4月初才發(fā)布了首款3D NAND閃存的SSD，不過主要是面向企業(yè)級(jí)市場(chǎng)的。在這些存儲(chǔ)大廠的推動(dòng)下，NAND Flash正在快速由2D NAND向3D NAND普及。
來源：中國(guó)閃存市場(chǎng)
2019年Q3度全球NAND閃存市場(chǎng)明顯復(fù)蘇，三星、鎧俠(原東芝存儲(chǔ))、美光等主要存儲(chǔ)廠商的出貨量均有較大幅度增長(zhǎng)。據(jù)DRAMeXchange數(shù)據(jù)顯示，2019年Q4季度全球NAND閃存市場(chǎng)營(yíng)收125.46億美元，環(huán)比增長(zhǎng)8.5%，位元出貨量增長(zhǎng)10%左右，合約價(jià)也由跌轉(zhuǎn)漲。
技術(shù)升級(jí)一向是存儲(chǔ)芯片公司間競(jìng)爭(zhēng)的主要策略。隨著存儲(chǔ)市場(chǎng)由弱轉(zhuǎn)強(qiáng)，處于新舊轉(zhuǎn)換的節(jié)點(diǎn)，各大廠商紛紛加大新技術(shù)工藝的推進(jìn)力度，加快從64層3D NAND向96層3D NAND過渡，同時(shí)推進(jìn)下一代128層3D NAND技術(shù)發(fā)展進(jìn)程，以期在新一輪市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)有利位置。
如前文所言，3D NAND主要依靠die堆疊，采用這種方式可以使得每顆芯片的儲(chǔ)存容量可以顯著增加，而不必增加芯片面積或者縮小單元，使用3D NAND可以實(shí)現(xiàn)更大的結(jié)構(gòu)和單元間隙，這有利于增加產(chǎn)品的耐用性。因此想要增加存儲(chǔ)空間就需要不斷的增加堆疊層數(shù)，這也就是為什么先進(jìn)存儲(chǔ)廠商一直想要追求更多堆疊層數(shù)的原因。
在發(fā)展3D NAND的過程中，這些廠商通常采用兩種不同的存儲(chǔ)技術(shù)：電荷擷取技術(shù)(CTF, Charge Trap Flash)和浮柵(FG, Floating Gate)技術(shù)。
CSDN博主“古貓先生”指出，這兩種技術(shù)沒有好壞之分，應(yīng)該是各有千秋。
CTF電荷擷取技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理和過程更加簡(jiǎn)單，有利于加快產(chǎn)品進(jìn)程。此外，電荷存儲(chǔ)在絕緣層比存儲(chǔ)在導(dǎo)體浮柵中更加的可靠。
FG浮柵技術(shù)從2D NAND開始已經(jīng)很成熟。另外，采用FG浮柵技術(shù)的3D NAND的存儲(chǔ)單元相互獨(dú)立，而采用CTF電荷擷取技術(shù)的3D NAND的存儲(chǔ)單元是連接在一起的。這樣的話，F(xiàn)G浮柵技術(shù)的存儲(chǔ)過程更具操作性。
三星就是主推CTF電荷擷取技術(shù)的廠商 ，其3D NAND的發(fā)展軌跡是48層-64層-96層-128層+。從2013年開始量產(chǎn)第一代3D V-NAND，到2018年，開始批量生產(chǎn)第五代V-NAND 3D堆疊閃存，9x層的堆疊設(shè)計(jì)；一直引領(lǐng)著存儲(chǔ)行業(yè)在閃存容量和性能方面的持續(xù)性創(chuàng)新。
三星在2019 年 6 月就推出了第六代 V-NAND（128 層 256Gb 3D TLC NAND），8 月份宣布基于該技術(shù)已批量生產(chǎn) 250GB SATA SSD，而在 11 月實(shí)現(xiàn)了第六代 128 層 512Gb TLC 3D NAND的量產(chǎn)。
據(jù)三星官方消息顯示，新款 V-NAND 運(yùn)用三星電子有的“通道孔蝕刻”技術(shù)，向前代 9x 層單堆疊架構(gòu)增加了約 40% 單元。這是通過構(gòu)建由 136 層組成的導(dǎo)電模具堆棧，然后垂直自上而下穿過圓柱孔，形成統(tǒng)一的 3D 電荷擷取閃存 (CTF) 單元實(shí)現(xiàn)的。
SK海力士也采用CTF電荷擷取技術(shù)，在由2D轉(zhuǎn)進(jìn)3D NAND世代的競(jìng)爭(zhēng)中，SK海力士似乎一直處在掉隊(duì)狀態(tài)，落后過去 2D 平面式 NAND Flash 時(shí)代。因此，SK 海力士在全球 NAND Flash 排名中，已經(jīng)被甩到五名之外。這對(duì)于在 2D 時(shí)代實(shí)力很強(qiáng)的 SK 海力士，屬實(shí)有點(diǎn)讓人意外。
2019年，在美國(guó)閃存峰會(huì)上，SK海力士公布3D NAND技術(shù)路線圖，此技術(shù)路線圖展示，在2030年3D NAND將達(dá)到800多層的堆疊高度。SK海力士將該技術(shù)稱為第6版4D NAND，但其他制造商都將其稱為3D NAND。其中176層對(duì)應(yīng)1.38 TB，500層對(duì)應(yīng)3.9 TB，800層對(duì)應(yīng)6.25 TB。
SK海力士在 2019 年 6 月份宣布推出首款 128 層 TLC 4D NAND，11 月份向主要客戶交付基于 128 層 1Tb 4D NAND 的工程樣品并較預(yù)期提前量產(chǎn)。這種先發(fā)優(yōu)勢(shì)，將會(huì)有助于搶占市場(chǎng)，更快達(dá)到規(guī)模經(jīng)濟(jì)。
東芝方面，也是CTF電荷擷取技術(shù)，東芝是目前日本最大的半導(dǎo)體制造商，也是閃存技術(shù)的締造者，于1989年最早研制出了NAND閃存。雖然東芝公司最早提出3D NAND架構(gòu)，并于2012年成功研發(fā)16層3D NAND實(shí)驗(yàn)品，但卻遲遲未推出相關(guān)產(chǎn)品上市，導(dǎo)致其市場(chǎng)步伐落于三星之后。
據(jù)悉，迫于三星的市場(chǎng)壓力，東芝計(jì)劃采用P-BiCS(Pipe-shaped Bit Cost Scalable)技術(shù)量產(chǎn)3D NAND產(chǎn)品，樣品于2014年Q1送樣，計(jì)劃于2016年第二季度量產(chǎn)；且在2016年度至2018年度，東芝大舉投資半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，投資額將達(dá)8千億日元。
2018 年6 月東芝將鎧俠獨(dú)立出去，并賣給由美國(guó)貝恩資本主導(dǎo)的「日美韓聯(lián)盟」。東芝目前仍持有鎧俠40.2%股權(quán)。
1月31日，鎧俠宣布已研發(fā)出3D NAND Flash「BiCS FLASH」的第5代產(chǎn)品，采用堆疊112層制程技術(shù)，且已完成試作、確認(rèn)基本動(dòng)作。該款堆疊112 層的3D NAND 試作品為512Gb（64GB），采用3bit/cell（TLC：Triple Level Cel）技術(shù)的產(chǎn)品，預(yù)計(jì)將在2020 年第一季進(jìn)行樣品出貨，除將用來搶攻需求持續(xù)擴(kuò)大的資料中心用SSD、商用SSD、PC 用SSD 及智能手機(jī)等市場(chǎng)外，也將用來搶攻5G、人工智能（AI）、自動(dòng)駕駛等新市場(chǎng)需求。
鎧俠指出，該款112 層3D NAND 產(chǎn)品為該公司和合作伙伴美國(guó)Western Digital（WD）所攜手研發(fā)完成，今后將利用雙方共同營(yíng)運(yùn)的四日市工廠以及北上工廠進(jìn)行生產(chǎn)，且今后也計(jì)劃推出采用堆疊112 層制程技術(shù)的1Tb（128GB）TLC 產(chǎn)品以及1.33Tb 的4bit/cell （QLC：Quadruple-Level Cell）產(chǎn)品。關(guān)于上述112 層3D NAND 的量產(chǎn)時(shí)間，WD 宣布，預(yù)定將在2020 年下半年。
美光過去在 2D 平面式 NAND FLash 技術(shù)世代，一直與英特爾聯(lián)合開發(fā)技術(shù)、分?jǐn)偖a(chǎn)能建置成本等。
不過，從 2D 轉(zhuǎn)進(jìn) 3D NAND 世代中，美光已經(jīng)直逼擁頭部廠商水準(zhǔn)。IC 設(shè)計(jì)業(yè)者分析，美光在 3D NAND 技術(shù)層面，已經(jīng)直逼三星水準(zhǔn)，其讀寫 read/write performance 只有三星可以抗衡，且在相同layer 下，其die size 也是業(yè)界最小，技術(shù)實(shí)力在 3D NAND 時(shí)代大幅追上來。
2019年10月初，美光宣布第一批第四代3D NAND存儲(chǔ)芯片流片出樣。第四代3D NAND基于美光的RG架構(gòu)，采用128層工藝。在“Mircon Insight2019”技術(shù)大會(huì)上，美光科技執(zhí)行副總裁兼首席商務(wù)官Sumit Sadana表示，128層3D NAND如果被廣泛使用，將大大降低產(chǎn)品每比特成本。
如前文所言，他們即將開始批量生產(chǎn)其基于公司新的RG架構(gòu)的第四代3D NAND存儲(chǔ)設(shè)備，美光第四代的28層3D NAND即將流片表示，表示該公司新設(shè)計(jì)不僅僅是一個(gè)概念。
同時(shí)，美光還沒有計(jì)劃將其所有產(chǎn)品線都轉(zhuǎn)換為最初的RG處理技術(shù)，因此明年公司范圍的每位成本將不會(huì)大幅下降。盡管如此，該公司承諾在其后續(xù)RG節(jié)點(diǎn)廣泛部署之后，到2021財(cái)年（從2020年9月下旬開始）將實(shí)現(xiàn)有意義的成本降低。
相比國(guó)際先進(jìn)水平，國(guó)內(nèi)廠商長(zhǎng)江存儲(chǔ)也在3D NAND上有所突破，并推出了其獨(dú)特的Xtacking技術(shù)。
據(jù)相關(guān)報(bào)道顯示，傳統(tǒng)3D NAND架構(gòu)中，外圍電路約占芯片面積的20—30％，降低了芯片的存儲(chǔ)密度。隨著3D NAND技術(shù)堆疊到128層甚至更高，外圍電路可能會(huì)占到芯片Xtacking技術(shù)將外圍電路連接到存儲(chǔ)單元之上，從而實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)3D NAND更高的存儲(chǔ)密度。
據(jù)悉，長(zhǎng)江存儲(chǔ)的64層3D NAND閃存產(chǎn)品將在2020年進(jìn)入大規(guī)模量產(chǎn)，此外，長(zhǎng)江存儲(chǔ)還將在今年跳過96層，直接投入128層閃存的研發(fā)和量產(chǎn)工作。
從進(jìn)度來看，128層3D NAND基本將在今年大量進(jìn)入企業(yè)存儲(chǔ)市場(chǎng)，逐漸成為主流。但是從此亦可看出，存儲(chǔ)廠商間的新一輪技術(shù)升級(jí)之爭(zhēng)亦將變得更加激烈。
半導(dǎo)體專家莫大康指出，存儲(chǔ)芯片具有高度標(biāo)準(zhǔn)化的特性，且品種單一，較難實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的差異化。這導(dǎo)致各廠商需要在工藝技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模上比拼競(jìng)爭(zhēng)力。
因此，每當(dāng)市場(chǎng)格局出現(xiàn)新舊轉(zhuǎn)換時(shí)，廠商往往打出技術(shù)牌，以期通過新舊世代產(chǎn)品的改變，提高產(chǎn)品密度，降低制造成本，取得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
值得注意的是，今年由于疫情原因，可能影響智能手機(jī)及筆記本等消費(fèi)電子產(chǎn)品的出貨，閃存出貨量預(yù)計(jì)會(huì)衰退或者持平。因此也有業(yè)內(nèi)人士指出，存儲(chǔ)廠可能會(huì)更趨向于加大96層3D NAND的生產(chǎn)。
對(duì)于中國(guó)存儲(chǔ)業(yè)來說，技術(shù)上從2D到3D的改變，是一個(gè)難得的發(fā)展機(jī)遇，但是如何抓住這個(gè)機(jī)遇仍具挑戰(zhàn)。
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引用自:原創(chuàng)-邱麗婷(半導(dǎo)體行業(yè)觀察) *免責(zé)聲明：本文引用原創(chuàng)-邱麗婷(半導(dǎo)體行業(yè)觀察) 。文章內(nèi)容系作者個(gè)人觀點(diǎn)，轉(zhuǎn)載僅為了傳達(dá)不同觀點(diǎn)交流與提升半導(dǎo)體行業(yè)認(rèn)知，不代表對(duì)該觀點(diǎn)贊同或支持，如轉(zhuǎn)載涉及版權(quán)等問題，請(qǐng)發(fā)送消息至公號(hào)后臺(tái)與我們聯(lián)系，我們將在第一時(shí)間處理，非常感謝！
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