浅谈NAND Flash 产业新近发展动向

为了获取高容量应用市场的采纳，未来NAND Flash业者的竞争重点，将转向降低每bit成本发展，multi-bit/cell 将是首选方案。对新进者而言专利、资金、multi-bit/cell NAND Flash制程良率，将是主要的进入障碍，未来投资新的NAND Flash 12”晶圆厂将会朝向大产能(100K wafers/月以上)的方向发展，虽然对生产commodity 型IC的规模经济效益大有帮助，但所需投资金额及后续研发先进制程经费可能高达30至50亿美元，虽然DRAM制程及NOR设计原理，以及DRAM及NOR生产设备与NAND Flash的相似度均高，但DRAM及NOR厂商而言，multi-bit/cell NAND Flash制程仍将需要一段学习曲线克服瓶颈，所以对善于降低内存IC制程生产成本的新进厂商而言，就可以寻求与具技术能力，但生产成本高的厂商合资生产或合作代工的机会，以专业分工合作模式，分别负责设计研发与制程改善来共同降低每bit成本，以及commodity 型IC投资风险的战略目标。

另外，NAND Flash厂商在成本竞争上，也正致力于朝在相同制程技术下，设计更小晶粒尺寸努力，以超越同业的gross die产出量，此一发展对高容量micro型记忆卡的发展也有很大的影响，微缩晶粒尺寸也将决定其能否封入micro型记忆卡中，以及需选用的封装方式(COB or MCP)，当然这也会影响产品成本的优劣势。

以往IC厂商透过12”晶圆取代8”晶圆及提升制程技术到新的世代来降低晶粒单位成本，实务上平均每年可使晶粒单位成本降低30%左右，目前NAND Flash已取代DRAM做为内存IC厂的先进制程驱动产品，以每bit成本的观点来看，2-bit/cell NAND Flash理论上可比 1 bit/cell (SLC) NAND Flash 降低30%以上的单位生产成本，若考虑实务上2-bit/cell占总产能比重，及其制程难度需额外增加的成本，以及产出良率较低等因素，预估未来每年将可使厂商降低NAND Flash单位生产成本达40至45%以上，未来，若4-bit/cell NAND Flash能在制程技术获得突破，随着4-bit/cell NAND Flash占总产能比重更形提高，预估未来每年的NAND Flash单位成本将可降低到55至60%以上，但4-bit/cell NAND Flash无可避免初期在其使用寿命、读写速度及生产良率上都将不如1-bit/cell或2-bit/cell NAND Flash，预期这种4-bit/cell新制程的成本效益发挥，可能要等到2008年之后才会比较明显。

随着厂商正由2-bit/cell朝向 4-bit/cell技术发展，未来市场也将分为MLC与NROM两大架构的联盟集团，相关业者多有在两种架构上寻求制程上的突破，预期2H07起两种4-bit/cell 架构将展开新一轮的成本与性能竞争，另外相关NAND Flash大厂也开始朝垂直整合方向发展，来投资或购并硅晶圆厂，封测厂或记忆卡通路，以强化各阵营的竞争力。

虽然厂商也不断在研发兼具DRAM 及 Flash存取速度，与非挥发性可储存优点的新型内存如： PRAM (Phase-change RAM)、MRAM (Magnetic RAM)、FRAM (Ferroelectric RAM)及RRAM (Resistance RAM)等，但以目前NAND Flash的发展进度来看，未来将有机会突破30至35nm的现有制程瓶颈，而达到20至25nm的量级水平，未来就每bit成本优势、制程的成熟度与规模经济性而言，预期2010年以后这些新兴内存才有机会对NAND Flash 及 DRAM产生替代性的作用，但这些新产品短期内将会如同NOR + NAND的整合型芯片一样，仍可在MCP 模式或客制化芯片应用上寻求其利基市场的商机。

目前NAND Flash已成为先进半导体制程技术的推进器，随着IC的制程技术进入30nm以下的尺度，微缩显影制程的精确度及硅芯片与其封装材料的电气性质，都将面临物理极限的挑战，业者也因此投入其它化合物或塑料半导体材料的研发，以因应量子级世代的新挑战。理论上讲一种可操控组件，若能呈现0及1讯号来进行二进制的逻辑运算及记忆功能的作用，便具有”computer”的概念，因此在2至22nm奈米技术领域所产生的量子或分子级computers，就可以选择硅基晶体管以外的组件，来做为computer的核心操作元件，如carbon nanotube-based quantum computer、 DNA-based bio-computer及photon-based optical-computer等新方案便应运而生，其生产流程及产品效能与成本效益，都将不同于目前的硅基晶体管IC，因此未来部份4C电子产品也会代之以「微机电整合系统」(integrated Micro Electro-Mechanical System)的型态呈现，该系统将会包括电子、机械、光学、化学以及生物等不同材料的控制组件，但因业者这些创新构想，在短期内仍不具产业群聚效应或完整中卫体系的情况下，更多的商业化应用可能要等到2010年之后才会渐渐的成熟。

Microsoft Vista OS企业版计划在2006年11月上市，其新的功能ready boost 及 ready drive将与Intel的Robson技术及Hybrid HDD 架构两者相配合，以缩短PC的开机时间及提高HDD运作效率与省电效益，可能会采用256MB至4GB的NAND Flash，做为cache的功能来达成该架构的运作所需，但NAND Flash的应用型式将来可能会采用以on board 、daughter board、 USB drive 或 SSD等方案，应用到不同厂家设计的PC上， Intel 计划2007年4月推出新的NB PC Santa Rosa 平台将会采用Robson技术，未来也会应用到DT PC平台上，同时主要HDD大厂也准备推出其Hybrid HDD solution方案，以应用到Vista OS上，这也将是2007年NAND Flash 新的应用需求来源之一。

2007年起随着电子厂商将陆续推出新的可携式PCs (UMPC、handset PC、E-Book...)，同时NAND Flash成本也会进一步下降，8至32GB SSD在这些产品应用上也会逐渐提高，另外OLPC也可能采用1GB NAND Flash 做为主要储存媒体，SSD可能会先应用在可携式4C整合型产品上，此外PMP业者在4Q06起，也将会把下载音乐诉求转向下载影片与游戏，所以2007年新的PMP机种内建NAND Flash将会达到8至16GB，这些都将是2007年NAND Flash应用的新兴动力， Flash-based 可携式游戏机及DV，也会在 2007年成为新的应用需求来源，此外2007年更多新的高阶多功能手机及PND (personal navigation device)也会需要更大的内建NAND Flash或记忆卡容量(refer to Table 1)。

另外，随着SD 2.0记忆卡在4Q06后将逐渐普及，容量将从目前的2GB突破到32GB，若加上版权保护机制，其耐震性及易携易用的插卡式的特性，将使其成为未来content卡的理想储存媒体。当然合理的每bit成本仍是其普及化的关键，USB drive做为外接式小型储存媒体，未来容量也会随着NAND Flash成本下降，而进一步提升到32GB以上，如同记忆卡一样的特点，也将是未来content卡的理想媒体，无论是记忆卡、USB drive 或SSD，以32GB容量做为可携式储存媒体，即使在HDTV级影像的储存应用上也已足够了，但关键都在成本是否比其它储存媒体具竞争力，以目前NAND Flash制程技术发展进程来看，32GB的产品要到2008年才可望渐渐成为市场的应用主流之一，虽然未来其它新的应用需求占整体NAND Flash需求比重将不断提高，但DRAMeXchange预期2007年记忆卡及USB drive仍将占NAND Flash应用需求60%以上 (refer to Figure 1)。