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NAND Flash层数之争:谁先触抵天花板?

来源:全球半导体观察    原作者:韦思维    

得益于5G、大数据、云计算、物联网、人工智能等新兴产业的快速发展,存储器需求呈现倍数增长,发展空间广阔。其中,NAND Flash作为半导体存储器第二大细分市场,自然也备受关注。

回溯NAND Flash的历史

经历了半个世纪发展的半导体存储技术,如今已逐渐成熟,其衍生出的存储技术中包括Flash技术。

Flash技术分为NAND Flash和NOR Flash二种。虽然NOR Flash传输效率很高,但写入和擦除速度很慢,容量也较小,一般为1Mb-2Gb,常用于保存代码和关键数据,而NAND Flash能提供极高的单元密度,可达到高存储密度,适用于大量数据的存储。NAND Flash具有写入、擦除速度快、存储密度高、容量大的特点,也因此迅速成为了Flash主流技术。

NAND Flash技术自问世以来,已经积累了近40年的发展底蕴,并已成为存储器第二大细分市场。按存储单元密度来分,NAND Flash可分为SLC、MLC、TLC、QLC等,对应1个存储单元分别可存放1、2、3、4bit的数据。目前NAND Flash主要以TLC为主,不过QLC比重正在逐步提高。

值得一提的是,被提出很多年但一直没有商用落地的PLC终于露出水面。

今年8月初,SK海力士旗下NAND闪存解决方案提供商Solidigm在闪存峰会上展示了全球首款正在研发的PLC(五层单元)SSD。与QLC(四层单元)SSD相比,PLC SSD可在每个存储单元内存储5bit的数据。

NAND闪存从SLC、MLC、TLC、QLC及PLC一路走来,容量逐步上升,可市场更关心的是性能、可靠性、寿命、成本等问题是否也可以跟着优化。据Solidigm介绍,在相同的空间内,使用PLC SSD存储数据量可增加25%,可以用来解决固态存储未来的成本、空间和能耗等问题。该款SSD将首先用于数据中心产品,具体发布和上市时间待定。

从闪存结构来看,为满足各时期的市场需求,NAND Flash技术已从2D NAND升级到3D NAND,再到4D NAND。

时光追溯到1987年,日本东芝公司提出的一项发明彻底改写了人类信息时代的面貌,即2D NAND。当时东芝(2019年更名为铠侠)虽占据NAND Flash市场先机,但东芝战略重心偏向DRAM市场,忽略了NAND Flash的发展潜力。之后,英特尔和三星迅速加入市场,推出了2D NAND产品。

随后,全球厂商都围绕着2D NAND进行研发,随着2D NAND的线宽已接近物理极限,3D NAND应运而生。

2007年,东芝推出BiCS类型的3D NAND。2D NAND的含义其实是二维平面堆叠,而3D NAND,顾名思义就是立体堆叠。3D NAND的到来,让NAND Flash技术直接从二维升华到三维的密度。

按英特尔的说法,2D NAND就像在一块有限的平面上建平房,这些平房整齐排列,随着需求量不断增加,平房的数量也不断增多,可面积有限,只能容纳一定数量的平房。相较于2D NAND,3D NAND则可以在同一块平面上建楼房,楼层越高,容量也就越大,在同样的平面中楼房的容积率远远高于平房,提供了更大的存储空间。可见,随着市场对存储性能需求的提升,2D NAND过渡到3D NAND是大势所趋的。

3D NAND自2007年进入大众视野后,2014年正式商用量产。

2013年,三星推出第一代V-NAND(三星自称3D NAND为V-NAND)闪存。据三星介绍,V-NAND技术采用不同于传统NAND闪存的排列方式,通过改进型的Charge Trap Flash技术,在一个3D的空间内垂直互连各个层面的存储单元,使得在同样的平面内获得更多的存储空间。虽然该款堆叠层数仅为24层,但在当时却打破了平面技术的瓶颈,并使3D NAND Flash从技术概念推向了商业市场。

2014年,SanDisk和东芝宣布推出3D NAND生产设备;同一年,三星率先发售了32层MLC 3D V-NAND,这也意味着3D NAND正式商用化。继三星之后,美光也实现了3D NAND商用化。凭借其在容量、速度、能效及可靠性的优势,3D NAND逐渐成为行业发展主流。

3D之后,4D NAND悄然来临。SK海力士在2018年研发的96层NAND Flash已超越了传统的3D方式,并导入4D方式,该款也成为了全球首款4D NAND Flash。

据了解,4D NAND技术是由APlus Flash Technology公司提出,其技术原理是NAND+类DRAM的混合型存储器,采用了“一时多工”的平行架构,而3D NAND只能执行“一时一工”。若一到十工同时在4D闪存系统执行时,其速度会比3D NAND快一到十倍。虽然相比3D方式,4D架构具有单元面积更小,生产效率更高的优点。不过,目前市面上还是以3D NAND为主。

从平房到摩天大楼,各大原厂的谋略

随着应用领域和使用场景愈发多样化,市场对NAND Flash的要求也随之提升,譬如想要更高的读写速度、最大化的存储容量、更低的功耗和成本等。可采用二维平面堆叠方式的2D NAND已经不再能满足市场的需求,这一切也促使NAND厂商必须谋定而后动,之后便沉下心来埋头研发,NAND Flash结构也从平房蜕变到摩天大楼。

采用三维平面堆叠方式3D NAND虽大大增加了存储空间,但如何突破3D NAND层数瓶颈,堆叠更高的摩天大楼,一直是市场的焦点,也是NAND厂商研发的痛点。在此之下,一场有关NAND Flash的层数之争已持续数年,NAND厂商早已吹响冲锋集结号,这一路也取得了不少的成就。

自2012年24层BiCS1 FLASHTM 3D NAND Flash之后,铠侠还研发出了48层、64层、96层、112层/128层。2021年,铠侠联手西部数据突破162层BiCS6 FLASHTM 3D NAND Flash。今年5月,西部数据与铠侠未来的路线图指出,预计2024年BiCS+的层数超过200层,如果一切按计划进行,2032年应该会看到500层NAND闪存。

最早在3D NAND领域开拓疆土的是韩国厂商三星。2013年8月,三星推出V-NAND(3D NAND)闪存,这也是全球首个3D单元结构“V-NAND”。之后,三星还陆续推出了32层、48层、64层、96层、128层、176层的V-NAND。2021年末,三星曾透露正在层数200+的V-NAND产品,目前暂未披露相关信息。

作为韩国第二大存储厂商的SK海力士也不甘落后,在2014年研发出3D NAND产品,并在2015年研发出36层3D NAND,之后按照48层、72层/76层、96层、128层、176层的顺序陆续推出闪存新产品。2022年8月3日,SK海力士再将层数突破到238层的新高度,该层数是当前全球首款业界最高层数NAND闪存,产品将于2023年上半年投入量产。

2016年,美光发布3D NAND,虽然发出时间晚于三星等上述几家厂商,但后期美光的研发实力不容小觑。在2020年美光抢先推出当时业界首款176层3D NAND,后又于2022年7月率先推出全球首款232层NAND,该产品现已在美光新加坡工厂量产。美光表示,未来还将发力2YY、3XX与4XX等更高层数。

目前从原厂动态来看,SK海力士和美光率先进入200+层时代,其中NAND闪存业界最高层数为SK海力士的238层,其次是美光的232层。主流技术NAND Flash 3D堆叠层数已跨越176层、232层、迈进238层,未来原厂还将发力200+层、300层、400层、甚至500层以上NAND技术。

在2021年IEEE国际可靠性物理研讨会上,SK海力士预测,3D NAND未来将达到600层以上。另有一些行业专家认为,3D NAND可以堆叠到1000层。可见,隔NAND Flash技术的天花板还有很高的距离。


△Source:全球半导体观察根据公开信息整理

NAND Flash未来既柳暗,又花明?

此前在5G手机、服务器、PC等下游需求驱动下,NAND Flash市场以可见的速度在增长。可今年,受疫情反复、通货膨胀、俄乌冲突等因素影响,全球形势变化多端。同时,存储器市场供需与价格波动时刻受产业发展动态影响,而作为存储器市场的主要构成产品之一,NAND Flash也不例外。

01供需失衡

从消费端看,PC、笔电、智能手机等消费电子市场需求疲软,也影响到中上游产业链。其中,智能手机需求萎缩明显,出货量也随之减少。据TrendForce集邦咨询表示,受到传统淡季的加乘效应,使得2022年第一季智能手机生产表现更显疲弱,全球产量仅达3.1亿支,季减12.8%。

业内人士普遍认为,持续下降的最大原因是消费者使用智能手机的时间比以前更长。再加上智能手机技术更新快,新型号手机的性能与之前型号并无特别大的差距,从某种程度上看,这也降低了消费者的购买欲。

从供应端来看,TrendForce集邦咨询7月表示,由于需求未见好转,NAND Flash产出及制程转进持续,下半年市场供过于求加剧,包含笔电、电视与智能手机等消费性电子下半年旺季不旺已成市场共识,物料库存水位持续攀升成为供应链风险。因渠道库存去化缓慢,客户拉货态度保守,造成库存问题漫溢至上游供应端,卖方承受的抛货压力与日俱增。

TrendForce集邦咨询预估,由于供需失衡急速恶化,第三季NAND Flash价格跌幅将扩大至8~13%,且跌势恐将延续至第四季。

02原厂持坚定信念

受手机与个人电脑等消费电子市场需求疲软等因素影响,美光于6月悲观预测,今年第四财季营收为72亿美元,上下4亿美元浮动,这一数据低于业界预期;又于8月再度下调第四季度业绩指引,该季度经调整营收将位于或低于此前预计的68-76亿美元区间下沿。

此前美光首席执行官Sanjay Mehrotra在财报电话会议上表示,预计智能手机销量将较去年下降约5%,而个人电脑销量可能比去年下降10%,美光正在调整产量增长,以适应需求的减弱。不过,TrendForce集邦咨询8月在最新的研究指出,受到高通胀冲击,全球对于消费市场普遍抱持并不乐观的态度,基于周期性的换机需求以及新兴地区的新增需求带领下,智能手机生产量仍会小幅上升。

SK海力士此前也预测,由于搭载存储器的电脑和智能手机的出货量将低于原来的预测,并且服务器用存储器的需求也因客户的库存优先出货,预计下半年的存储器出货量将有所放缓。不过中长期来看,数据中心的存储器需求将持续成长。

三星、SK海力士、美光、西部数据、铠侠等存储器原厂在最新财报中均表示虽然部分市场需求疲软,但都坚定看好产业未来前景,各原厂保持坚定的信心也为存储器市场扫去部分阴霾。

据TrendForce集邦咨询最新研究显示,NAND Flash仍处于供过于求状态,但该产品与DRAM相较更具价格弹性,尽管预期明年上半年价格仍会走跌,但均价在连续多季下滑后,可望刺激enterprise SSD市场单机搭载容量成长,预估需求位元成长将达28.9%,而供给位元成长约32.1%。

结语

长远来看,NAND Flash市场前路虽柳暗,但花明。同时,NAND厂商马不停蹄地研发,今年有的再上升一个台阶,有的还在停步研发,最终谁先触抵NAND Flash层数天花板,我们静待观之。

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封面图片来源:拍信网