国产NAND Flash的救赎之路

原标题：国产NAND Flash的救赎之路 来源：与非网

    存储器是半导体产业的重要分支。

    全球半导体协会SIA数据显示，存储芯片产业2019年全球销售额约1200亿美元，约占全球半导体市场营收4121亿美元的30%。

    中国市场方面，根据魏少军教授公布的数据显示，2019年半导体存储器国内市场规模为415.8亿美元，占据近35%的全球销售额。然而，在庞大的市场规模下，依赖进口仍然是国内存储芯片产业多来年的发展现状。以2019年为例，我国存储芯片进口额为947亿美元，占集成电路进口额3041亿美元的31%。市场份额被三星、铠侠（东芝）、西部数据、美光和SK海力士等巨头几乎瓜分殆尽。

行业动态

    国产突围，迫在眉睫。

    在现状与困境之下，背负着打破国内存储产业发展困局使命的国内三大存储企业（武汉长江存储、合肥长鑫、福建晋华）相继发力。其中，NanDFlash作为存储芯片的重要产品之一，是长江存储要重点攻克的领域所在。2019年全球NanDFlash市场规模为460亿美元，同比减少27%。

    2018-2019年，由于市场低迷及产能过剩，存储芯片价格持续走低，在经历了近两年的价格下行周期后，2019年底稍有回暖迹象。ICInsights发布的《McClean报告2020》预测，2020年成长最  快IC产品中，NanDFlash排在第  一，预计增幅达19%。

长江存储：十年寒窗无人问，一举成名天下知

    三大存储在追赶业界领  先水平的征程上或悲壮或顺利的前行，挫折占了大半。纵然星光不问赶路人，可时光终也不负有心人，长江存储迎来了新的里程碑。

    4月13日，长江存储宣布128层QLC3DNanD闪存（X2-6070）研发成功，且已在群联和联芸两家控制器厂的SSD上通过验证。

    据长江存储介绍，X2-6070是业内首  款128层QLC规格的3DNanD闪存，也是我国首  款128层3DNanD闪存芯片，拥有业内已知型号产品中最  高单位面积存储密度（QLC，4bit/cell），最  高I/O传输速度（1.6G/s）和最  高单颗NanD闪存芯片容量（1.33Tb），是上一代64层单颗芯片容量的5.33倍。X2-6070将率先应用于消费级SSD，并逐步进入企业级服务器、数据中心等领域，以满足未来5G、AI时代多元化数据存储需求。此次同时发布的还有128层512GbTLC规格闪存芯片（X2-9060），以满足不同应用场景的需求。

    长江存储预计，128层产品今年底到明年上半年量产，维持明年单月10万片产能目标不变。当下，长江存储产能为2万片/月，12寸晶圆厂的64层芯片产能还是属于爬升期，处于64层eMMC、UFS、SSD产品最后的研发阶段。公司表示将尽早达成64层三维闪存产品月产能10万片，并按期（二期）建成30万片/月产能，提升国家存储器基地的规模效应。

    此外，得益于Xtacking架构对3DNanD控制电路和存储单元的优化，长江存储上一代64层TLC产品在存储密度、I/O性能及可靠性上广受好评。在长江存储128层系列产品中，Xtacking已全面升级至2.0，进一步释放3DNanD闪存潜能。

    长江存储填补了我国在3DNanD闪存芯片领域的空白，它是目前中国唯一能够在该领域实现量产的厂商。尽管起步晚于国际大厂，但长江存储发展迅速，技术水平已跻身全球第  一梯队。128层的3DNanD是当今国际闪存市场的主流技术，众多韩国闪存大厂也刚量产不久。

    下面，笔者就本次新品的两个亮点QLC和Xtacking架构，进行一些简要介绍。

QLC

    NanD闪存通常可以分为SLC、MLC、TLC和QLC四类，QLC是继TLC（3bit/cell）后3DNanD的第四代存储方式，也是当前最新一代的闪存技术。

    从原理上看，QLC的每个单元可储存4个数据，那就意味着与前三种闪存相比，QLC闪存可以在同等的die面积上，存储更多的数据。拥有成本更低、容量更大、高密更高等特点，适合于读取密集型应用。

    闪存和SSD领域知名市场研究公司ForwardInsights创始人兼首  席分析师GregoryWong认为：“QLC降低了NanD闪存单位字节（Byte）的成本，更适合作为大容量存储介质。与传统HDD相比，QLCSSD更具性能优势。在企业级领域，QLCSSD将为服务器和数据中心带来更低的读延迟，使其更适用于AI计算，机器学习，实时分析和大数据中的读取密集型应用。在消费类领域，QLC将率先在大容量U盘，闪存卡和SSD中普及。因此，QLCSSD未来市场增量将非常可观。”

Xtacking

    2018年7月，长江存储首  次发布了突破性能的3DNanD构架Xtacking™。

    根据长江存储的介绍，采用Xtacking™可实现在两片独立的晶圆上分别加工外围电路和存储单元。这样的逻辑电路加工工艺，可以让NanD获取所期望的高I/O接口速度和功能。当两片晶圆各自完工后，创新的Xtacking™技术只需一个处理步骤就可通过数百万根金属VIA(垂直互联通道)将二者键合接通电路。

    传统3DNanD架构中，外围电路约占芯片面积的20~30%，降低了芯片的存储密度。随着3DNanD技术堆叠到128层甚至更高，外围电路可能会占到芯片整体面积的50%以上。Xtacking™技术将外围电路置于存储单元之上，从而实现比传统3DNanD更高的存储密度。

    同时，Xtacking™技术充分利用存储单元和外围电路的独立加工优势，实现了并行、模块化的产品设计及制造，产品开发时间可缩短三个月，生产周期可缩短20%，从而大幅缩短3DNanD产品的上市时间。

    此外，这种模块化的方式也为引入NanD外围电路的创新功能以实现NanD闪存的定制化提供了可能。

    知乎作者“猛练自然强”将其优势总结为：

    外围电路置于存储单元之上，不占实际芯片面积，提高存储密度；

    存储单元，外围电路分别在两片wafer上加工，缩短生产工序和周期；

    外围电路单独加工，与存储单元可以互相独立设计、生产、消除二者之间的设计、工艺牵制，在实现更高性能的同时，降低设计和工艺方面的难度。

    在长江存储首  次发布的128层QLC3DNanD上，使用的全新升级的Xtacking2.0架构，X2-6070在1.2VVccq电压下实现了1.6Gbps/s的数据传输速率，I/O读写性能更强。

    凭借1.6Gb/s高速读写性能和1.33Tb高容量，长江存储通过X2-6070再次向业界证明了Xtacking架构的前瞻性和成熟度，为今后3DNanD行业发展探索出一条切实可行的路径。

三星动态

    NanDFLASH行业的各家公司都在用尽浑身解数，来争夺这块数百亿美金的市场。行业老大三星也不敢怠慢，长江存储动态余温未尽之际，三星便传出新声。

    据韩国媒体《ETnews》报道，三星目前正在开发具有160层堆栈的第7代V-NanD闪存，相关方面技术取得重大进展。三星的第7代V-NanD闪存将采用“双堆栈(double-stack)”技术来达到更多堆栈层，以此来扩大容量和使用范围。三星目前尚未公布160层的3D闪存的详细技术信息。

    2019年，三星以166.7亿美元的营收，成为全球3DNanDFlash闪存市场龙头，市占率达到35.9%。考虑到三星占据了NanD闪存行业超过1/3的市场份额，160层堆栈闪存若由三星成功首  发，其将继续保持闪存技术上的优势，拉开与对手的差距。

行业发展史

    厮杀数十年的存储器江湖，有人起来，有人倒下。

    从最开始美国的独霸天下，到八十年代后日本存储行业腾飞，再到韩国公司依靠政府支持与时代机遇的崛起，扑灭其它人。

    2008年金融危机，存储价格雪崩。三星开始“反周期”战略，疯狂扩产下，德国奇梦达宣布破产，2011年日本尔必达低价卖身美光...

    存储行业重新洗牌，有人坚持，有人离去。熬过低潮期的存储大厂们，在2015-2018年新一轮的上行周期间赚的盆满钵满，甚至在2017年，三星营收水平超过半导体霸主英特尔，终结了半导体霸主英特尔连续27年行业第  一的记录。

    在如今NanD地盘上，三星、SK海力士、美光、恺侠（原东芝存储）、西部数据、英特尔群雄割据。根据DRAMeXchange数据，2019年全球NanDFlash市场前五大厂商三星、铠侠、西部数据、SK海力士和美光的市场份额合计占比达到89.90％。数十年来，存储行业的厮杀像是一场轮回，十年河东，十年河西。

    现在轮到中国杀了进来，在当前的国际局势下，长江存储和合肥长鑫们，担负起了振兴国产存储芯片的重任。预计2021年长江存储产能将占到NanDFlash整体市场的8%

存储巨头进展

    从2019年开始，业界几大主要玩家都陆续跨进了100+层时代。

    三星公司在2019年6月推出了第六代V-NanD100+层（128层和136层各有说法）TLC3DNanD，8月宣布基于该技术已批量生产250GBSATASSD，同年11月实现了第六代512GbTLC3DNanD的量产。

    SK海力士于2019年6月公开发布128层4DTLCNanD，11月向主要客户交付基于128层1TbTLC4DNanD的工程样品，包括1TBUFS3.1、2TB客户端cSSD、16TB企业级eSSD。2020下半年都将大规模量产出货。近日，SK海力士宣布推出基于首  款128层1TbTLC4DNanD闪存的企业级SSD--PE8111，是针对读取密集型应用设计的高容量存储解决方案。这也是全球首  款在商用方案中应用128层堆叠1TbTLC4DNanD闪存颗粒。

    铠侠在2020年1月宣布和西部数据携手研发出3DBiCSFLASH第5代产品，采用112层3DNanD技术。BiCS5架构主要基于TLC和QLC技术，计划推出112层1Tb（128GB）TLC以及1.33TbQLC产品，将在2020年下半年大规模生产。

    美光早在2019年10月第  一批第四代3DNanD芯片流片出样。在2020财年Q2财报上进一步透露，已在第  一季度开始批量生产第四代128层3DNanD，将在第三季度开始出货。预计2021年3DNanD将全面进入100+层时代。

    英特尔在过去十年中一直致力于该技术的研发。2018年，英特尔64层1024Gb/裸片的QLC3DNanD问世。2019年，英特尔升级到96层，进一步提升了整体存储密度。2020年，基于数据中心业务需求，英特尔将在大连厂推出144层QLC3DNanD。

    长江存储128层NanD产品的量产时间预计将在今年年底到2021年上半年之间，随着产能和良率的逐步提升，预计2021年将实现10万片/月的产能。在量产时间上，长江存储已没有明显落后。

    依照目前的情况，128层3DNanD已经开始大量进入企业存储市场。如果不能把握住技术升级带来的机会，就可能在新一轮市场竞争中掉队。

NanDFlash行业动态与趋势

    存储芯片价格存在周期性变化特点，NanDFlash作为存储器的一种，价格自2018年初至2019年间处于降价周期。有数据统计，2019年NanDFlash的价格平均跌幅达46%，销售重挫27%，导致主要供应商陷入亏损。

    经过接近两年的降价，目前NanDFlash价格虽然仍相对处于低位，但从2019年末已逐渐开始有回暖趋势。此外，在疫情影响下，云端服务需求加速上升以及远程办公、远程教育，对笔记本电脑需求的急速上升，备货需求逐渐涌现，连带提升NanD存储需求。

    据Gartner研究数据显示，在多因素持续发酵的影响下，2020年存储市场规模预计将达到1247亿美元，呈增长态势。内存方面，由于从2019年开始持续短缺，以及晶圆厂的业务延迟和技术转型，NanD闪存价格将不断提升，预计NanD闪存收入将在2020年增长40%。

    随着NanDFlash价格周期波动，主要的行业厂商针对需求变化调整产能。在上一轮降价周期中，各厂商纷纷暂缓了扩产计划。如今随着下行周期的结束，各厂家又重启投资计划。

    据不完全统计，2020年NanDFlash扩产计划中：

    三星电子对其西安芯片工厂二期增加80亿美元的投资，将用于投产128层或更高堆叠层数的3DNanD芯片，三星此次的扩产计划，预计在NanDFlash闪存增加每月6.5万片芯片产能，全部集中在中国西安厂。预计于2021年下半年竣工，建成后将二期产能将达到每月13万片；

    铠侠和西数在岩首  县北上市投资70亿日元，计划2020年上半年开始生产3DNanD；铠侠计划于2020年底在四日市工厂内建设Fab7工厂，用于投资最新的3DNanD，计划2022年投产。

    可见，NanDFlash市场经过在下行周期时的调整，库存正在逐渐恢复，自2019下半年开始，数据中心、服务器等领域为了驱动5G网路的发展，再加上手机品牌厂5G旗舰机上市需求热络，导致NanD市场资源供应紧张，导致原厂加紧了2020年NanDFlash扩产的步伐。

    但随着后续疫情的结束，以及以智能手机为主的终端厂商出货量的减少，又将会对需求端造成一定影响。同时由于行业头部厂商竞争仍较为激烈，技术与产能并无明显优劣，在各大厂商迅速扩产的背景下，NanDFlash价格的景气周期可能较早结束，因此也要做好价格将重新进入下行轨道的准备。

结语

    对于国内存储产业来讲，面临一场下行周期未必是一件坏事。在产业周期轮转中，资本支出转为保守，国外存储大厂产能扩充规划较为谨慎，这也给了国内存储厂商拉近差距的机会。

    随着长江存储128层QLC3DNanD的发布，外界对于中国大  陆企业在存储技术上的质疑之声正在逐渐减少。

    国内存储芯片厂商要想迎头赶上，埋头苦研技术是不二法门。正如半导体专家莫大康曾说，存储芯片具有高度标准化的特性，且品种单一，较难实现产品的差异化，因此各厂商需要在工艺技术和生产规模上比拼竞争力。

    然而，技术之外，如何利用好产业周期波动带来的机遇，也是国产存储厂商弯道超车的捷径所在。

    十年河东，十年河西的存储产业，国产NANDFlash迎来了救赎的曙光。

责任编辑：黄伟雅