「芯观点」3D NAND Flash走向层数和产能大战

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本月初，旺宏董事长吴敏求在出席李国鼎纪念论坛时指出，目前存储市场仍以DRAM为主流，不过3D NAND Flash拥有最高密度及最低制造成本，预期未来可能成为存储市场新主流。

距离三星2013年量产全球首款3D NAND Flash已过去了近8年，层数也从原来的24层进化到现在的176层。那么目前全球NAND Flash的市况如何？各大“玩家”取得了哪些进展以及3D NAND Flash的未来将走向何方？

目前市况如何？

NAND Flash是Flash的一种，其内部采用非线性宏单元模式，为固态大容量内存的实现提供了廉价有效的解决方案。得益于容量较大、改写速度快等优点，适用于大量数据的存储，因而在业界得到了越来越广泛的应用。

市调机构集邦咨询（TrendForce）的最新数据显示，2021年第三季度全球NAND Flash芯片出货量增长近11%，平均销售单价增长约4%，同时行业总营收环比增长15%至188.8亿美元。排名前六的厂商营收均有不同幅度的同比增长。

图源：集邦咨询

从需求端来看，智能手机和服务器用NAND Flash贡献了第三季度大部分营收。Q3是传统智能手机出货旺季，苹果、OPPO、vivo、小米等厂商纷纷发布了旗舰机型以拉动NAND Flash用量；另一方面，超大规模数据中心的上量也带动了NAND Flash营收。

目前看来，全球NAND Flash市况一片大好，不过对于第四季度乃至2022年的行业发展走势，业界却众说纷纭。集邦咨询认为，由于上游晶圆代工产能不足的问题没有解决，零部件供给不均衡的状态广泛的影响到各类应用，以及库存相对充足导致合约价开始转跌，预计今年第四季度NAND Flash营收强劲增长的动能将暂告一段落。

台媒也援引业内人士的消息称，自今年第四季度以来，电源管理IC和闪存设备控制器芯片的短缺状况持续改善，鼓励NAND闪存芯片制造商扩大产量。该人士并警告，2022 年上半年 NAND Flash的供应可能会超过需求。

另有反对者认为市场对于NAND Flash的走势过于悲观，NAND Flash控制IC厂群联董事长潘健成此前在法说会上指出，从当前来看，2022年NAND Flash整体市场容量需求将会再成长1.5～1.8倍，预期群联最快2022年上半年库存将会不足以因应市场需求，未来针对5G、电动车等新兴应用，NAND Flash容量需求将看不到天花板。

不过存储周期性的需求也决定了NAND Flash市场的不确定性，未来走势究竟如何还有待市场的进一步观察。

各大玩家角逐

提到NAND Flash则不得不提目前市场上最主流的3D NAND，相关数据显示，2019年，3D NAND的渗透率达到了72.6%，已远超 2D NAND，预期这一数字将在2025年达到97.5%。

从2D到3D早已成为NAND Flash市场的大趋势，对于这个变化，有个很形象的比喻即“从平方到高楼”。

那么NAND Flash为何会演变成3D？分析机构Objective Analysis董事长兼资深分析师Jim Handy在做客《集微访谈》时指出，“3D NAND是NAND存储厂商克服当前困难的一个方式，他们已经没有办法在原有2D NAND存储的基础上降低成本，因此他们选择了用3D技术来‘节流’。”

更为重要的是，3D NAND还解决了2D NAND 在增加容量的同时性能降低的问题。

这一技术的优势自然吸引了众多玩家入局，三星、铠侠、SK海力士、美光、长江存储等厂商纷纷布局3D NAND Flash。

从技术发展来看，各家仍在层数上一较高下。三星早在2013年便开始量产3D NAND Flash，采用CTF电荷撷取闪存（charge trap flash，简称CTF）路线，相比传统的FG（Floating Gate，浮栅极）技术难度要小一些。目前三星已量产176层NAND Flash。另外，三星也公布了下一代NAND Flash的细节，堆栈层数超过200层。

韩国另一存储大厂SK海力士则在去年宣布了的一个大事件，即斥资90亿美元收购英特尔的NAND Flash业务，且已通过各国的反垄断调查。在产品进展上，有消息称SK海力士在今年第四季度开始量产176层NAND Flash。

铠侠投入研发的时间较早，在2007年独辟蹊径地推出了BiCS技术，今年2月宣布与西部数据共同开发出了162层NAND Flash。

美光是全球最早宣布176层NAND Flash量产的厂商，该产品结合采用替换栅极工艺和新单元结构的新阵列结构，提高性能的同时缩小了尺寸。

中国大陆的长江存储入局较晚，2017年发布了首款3D NAND Flash，2019年基于自主研发的Xtacking1.0 架构闪存技术，成功量产 64 层 TLC 3D NAND 闪存。今年则开始量产128层3D NAND Flash。

未来走向何方？

其实不止层数，各家也在产能上下了很大的功夫。三星电子将在平泽第3工厂（P3）安装新的3D NAND芯片生产线，以提高176层3D NAND芯片产量，届时将拥有4万-5万片的月产能；铠侠和西部数据计划今年春季在日本四日市建设一个1万亿日元（合94.5亿美元）的工厂，预计2022年开通第一批生产线。与此同时，铠侠在日本Kitakami工厂旁边也收购了很多工厂，以便未来能够根据需要扩大产能。另外，也有SK海力士和美光从第四季度开始提高176层3D NAND芯片产量的消息不断传来。

如今176层3D NAND Flash已大幅量产，200层甚至更高层数的产品也已曝光，未来3D NAND Flash将走向何方？

SK海力士曾在今年3月份的IEEE国际可靠性物理研讨会上分享了自己的看法，其认为可以在不久的将来把3D NAND Flash的层数扩展到600层以上，届时每一层将变得更薄，NAND单元更小，存储容量会更大。另有行业专家指出3D NAND Flash可以堆叠到1000层。

不过层数越多也就意味着技术难度越大。Jim Handy解释到，要通过3D结构降低成本，就必须一层一层增加堆叠，然后钻孔穿过每一层，才能完成整个过程。如何在钻孔更深的同时保证钻孔的精确度，避免方向偏移造成孔道下方变窄或者上窄下宽是3D NAND面临最大的难题。因此各大存储厂商花费了大量的时间精力研究如何增加层数，同时让每一层更薄。

据了解，存储厂商目前应对的“秘诀”是先堆叠32层或者64层钻好孔，然后往上叠加32层或者64层，再进行钻孔。“这个方法是可行的，而且这项技术目前尚未发现层数限制。”Jim Handy补充说道。

从各家的发展情况来看，都在追求更高的层数以增加存储容量，铠侠CEO柳茂知则在闪存峰会上表示，“部分人可能认为堆叠层数是3D NAND容量增长的最重要参数，但是其实并不完全正确，没有必要以厚度增加为代价一味增加堆叠层数。”

总结：虽然现在还无法预测3D NAND Flash最高可堆叠至多少层，不过可以预期的是，三星、SK海力士、铠侠、美光、长江存储等全球主要存储厂商的层数和产能大战还将继续。

（校对/木棉）