本文來自微信公眾號“半導(dǎo)體行業(yè)觀察”，作者/杜芹DQ。
存儲器是現(xiàn)代信息系統(tǒng)的關(guān)鍵組件之一，其應(yīng)用廣泛，市場龐大。由DRAM與NAND Flash所主導(dǎo)的主導(dǎo)的傳統(tǒng)存儲市場規(guī)模已超過1600億美元，而且長遠來看，DRAM和NAND仍將占據(jù)主流市場很久。那么存儲技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，這兩大主流的傳統(tǒng)存儲技術(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)存儲應(yīng)用的主要技術(shù)。這種非易失性存儲器存在于所有主要的電子終端市場，例如智能手機、服務(wù)器、PC、平板電腦和USB驅(qū)動器。NAND Flash的成功與其不斷擴展存儲密度和成本的能力有關(guān)，大約每兩年，NAND Flash行業(yè)就能夠大幅提高位存儲密度，現(xiàn)在位存儲密度的進一步增加是通過向三維過渡，2014年，3D NAND技術(shù)進入市場。而為了維持NAND Flash路線圖，3D NAND Flash進入了層數(shù)的堆疊比拼。
2022年是NAND閃存的35周年，而今年或許是NAND閃存又一個重要的一年?，F(xiàn)在幾乎頭部的存儲廠商都在制造200層以上的存儲芯片，甚至500層已經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)在存儲廠商們的路線圖中。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的報道，有業(yè)內(nèi)人士認為，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。然而，100層被認為是單棧技術(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，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的NAND，路線圖規(guī)劃到了500層（但沒具體指明時間表）。
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3D NAND陣列。CuA的設(shè)計加上232層的NAND將大大減少美光1Tb 3D TLC NAND存儲器的裸片尺寸，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單元的尺寸，從而縮小芯片尺寸。西部數(shù)據(jù)計劃將這些芯片用于從USB驅(qū)動器到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，因為該公司計劃為消費者存儲提供不同級別的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)方面主要競爭者是長江存儲，長江存儲這幾年的發(fā)展很快，此前長江存儲CEO楊士寧層表示：“長江存儲用短短3年時間實現(xiàn)了從32層到64層再到128層的跨越。長江存儲3年完成了他們6年走過的路”。而現(xiàn)在，據(jù)Digitimes的報道，業(yè)內(nèi)人士透露，長江存儲最近已向少數(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
對于存儲廠商來說，重資本是行業(yè)的特點，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閃存芯片的競爭，必將需要新的晶圓廠和新設(shè)備。
IC Insights預(yù)測今年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IC行業(yè)1904億美元資本支出預(yù)測的16%，僅落后于代工部門，該部門預(yù)計將占今年行業(yè)資本支出的41%。
來源：IC insights
新的和最近升級的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，三星計劃于今年5月初在其平澤工廠的新先進晶圓廠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，將同時生產(chǎn)存儲芯片和邏輯芯片，其中就包括第七代176層V-NAND芯片。預(yù)計三星未來幾年將在P3上花費至少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)。為加快推動項目發(fā)展，所以SK海力士決定在大連繼續(xù)擴大投資并建設(shè)新工廠。
DRAM廠商拼什么？
不可不爭的EUV
隨著DRAM要想進入到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，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)點的有限的層數(shù)中部署EUV，然后會將其擴展到具有更大層采用率的1δ(Delta)節(jié)點。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)先于競爭對手。
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海力士完成首個用于DRAM的EUV晶圓廠M16，并引進了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
但是對于DRAM來說，目前業(yè)界的共識或者面臨的挑戰(zhàn)是，在平面工藝下，DRAM最重要也最艱難的挑戰(zhàn)，就是儲存電容的高深寬比，儲存電容的深寬比通常會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，也不足以為整個未來十年提供所需的位密度改進。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）作為長期擴展的潛在解決方案。
據(jù)了解，3D DRAM是將存儲單元（Cell）堆疊至邏輯單元上方以實現(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)也能因為可重復(fù)使用儲存電容而有效降低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的觀點和預(yù)測，這種新穎的3D技術(shù)將在2029-2030年期間進入市場。在此之前，我們預(yù)計混合鍵合系統(tǒng)可能會開始滲透DRAM設(shè)備市場，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等對內(nèi)存的需求越來越大，要求也越來越高，技術(shù)的演進也一直在滾滾向前。不同時代，不同需求下，這些存儲廠商們總能研發(fā)出新的技術(shù)來滿足時代的發(fā)展。當(dāng)然新型存儲也是時代發(fā)展的產(chǎn)物，它們不是為了取代現(xiàn)有的存儲解決方案，而是在延遲、生產(chǎn)力等方面對現(xiàn)有的存儲進行很好的補充。最后說一句，存儲是不得不發(fā)展的國家戰(zhàn)略性高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，我國應(yīng)該抓住存儲器技術(shù)發(fā)展多元化的新機遇，實現(xiàn)突破。
