NAND市場(chǎng)，激戰打響

隨著(zhù)人工智能（AI）相關(guān)半導體對高帶寬存儲（HBM）需求的推動(dòng)，NAND 閃存市場(chǎng)也感受到了這一趨勢的影響。

目前，NAND 閃存市場(chǎng)的競爭正在加劇，存儲巨頭三星和 SK 海力士正加緊努力，以提升 NAND 產(chǎn)品的性能和容量。

兩大巨頭輪番出手

三星投產(chǎn)第九代 V-NAND 閃存

今年 4 月，三星宣布其第九代 V-NAND 1Tb TLC 產(chǎn)品開(kāi)始量產(chǎn)，這將有助于鞏固其在 NAND 閃存市場(chǎng)的卓越地位。

那么 V-NAND 閃存是什么呢？

眾所周知，平面 NAND 閃存不僅有 SLC、MLC 和 TLC 類(lèi)型之分，而且為進(jìn)一步提高容量、降低成本，NAND 的制程工藝不斷進(jìn)步。雖然更先進(jìn)的制程工藝帶來(lái)了更大的容量，但容量提升、成本降低的同時(shí)可靠性及性能都在下降。比如：制程工藝不斷革新的同時(shí)，NAND cell 單元之間的干擾現象越來(lái)越嚴重。

三星的 V-NAND 便不再追求縮小 cell 單元，而是通過(guò) 3D 堆疊技術(shù)封裝更多 cell 單元，實(shí)現增加容量的目的。

2013 年，三星發(fā)布全球首款 V-NAND 閃存并量產(chǎn)，標志著(zhù) 3D NAND 閃存從技術(shù)概念向商業(yè)市場(chǎng)的轉變。而如今，這一技術(shù)已經(jīng)迭代到第九代。

與第八代 V-NAND 相比，第九代 V-NAND 的單位面積存儲密度提高了約 50%，這得益于行業(yè)內最小的單元尺寸和最薄的模具層。為了提升產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，三星采用了新的創(chuàng )新技術(shù)，諸如避免單元干擾和延長(cháng)單元壽命，同時(shí)取消備用通道孔則大幅減少了存儲單元的平面面積。

第九代 V-NAND 采用了新一代 Toggle 5.1 閃存接口，讓數據傳速速度提升 33%，高達 3.2Gbps。新的接口可為最新的 PCIe 5.0 SSD 提供足夠的性能帶寬保障。與上一代產(chǎn)品相比，第九代 V-NAND 在低功耗設計方面也有改進(jìn)，其功耗降低了 10%，可使 SSD 變得更為節能。

目前三星已啟動(dòng) 1Tb TLC 第九代 V-NAND 的大規模生產(chǎn)，隨后將于今年下半年推出 QLC 的型號。

SK 海力士開(kāi)發(fā)新一代移動(dòng)端 NAND 閃存解決方案「ZUFS 4.0」

今年 5 月，SK 海力士宣布，公司開(kāi)發(fā)出用于端側（On-Device）AI 的移動(dòng)端 NAND 閃存解決方案產(chǎn)品 ZUFS（Zoned UFS）4.0』。

SK 海力士表示：「ZUFS 4.0 為新一代移動(dòng)端 NAND 閃存解決方案產(chǎn)品，其產(chǎn)品實(shí)現業(yè)界最高性能并專(zhuān)為端側 AI 手機進(jìn)行優(yōu)化?！?/p>

ZUFS 按數據的各自特性來(lái)區分管理智能手機應用程序生成的數據。與現有 UFS 不分區域而混合存儲的方式不同，ZUFS 可以對不同用途和使用頻率的數據進(jìn)行分區（Zone）存儲，提高手機操作系統的運行速度和存儲設備的數據管理效率。

由此 ZUFS 將在長(cháng)期使用環(huán)境下，手機應用程序的運行時(shí)間與現有 UFS 相比改善了約 45%。而且，ZUFS 在存儲讀寫(xiě)性能下降方面實(shí)現了 4 倍以上改善效果，從而產(chǎn)品的使用壽命也提升了約 40%。

SK 海力士給客戶(hù)提供初期試用產(chǎn)品，而基于此產(chǎn)品規格與客戶(hù)協(xié)作開(kāi)發(fā)出符合 JEDEC 標準的 4.0 產(chǎn)品。公司將于今年第三季度開(kāi)始 ZUFS 4.0 產(chǎn)品的量產(chǎn)。

其實(shí)，自 NAND 閃存進(jìn)入 3D 時(shí)代以來(lái)，芯片層數一直是各大 NAND 閃存芯片廠(chǎng)商競爭的焦點(diǎn)，堆棧層數越來(lái)越高。在 3D NAND 技術(shù)的競爭中，存儲廠(chǎng)商從最初的 24 層、32 層發(fā)展到 128 層、176 層，甚至超過(guò) 200 層。在此背景下，各存儲廠(chǎng)商有著(zhù)不同的押注，一起看看各家的發(fā)展路線(xiàn)如何。

只是卷到 200 層？各家技術(shù)路線(xiàn)為何？

根據 TomsHardware 此前報道，三星正在準備發(fā)布的第 9 代 V-NAND 技術(shù)產(chǎn)品，達到了 280 層，相比第 8 代 V-NAND 技術(shù)的 236 層有了進(jìn)一步的提高。三星的技術(shù)路線(xiàn)便是選擇 V-NAND 架構。

SK 海力士 321 層 NAND 計劃 2025 年上半年開(kāi)始量產(chǎn)

SK 海力士在去年 8 月美國圣克拉拉舉行的 2023 閃存峰會(huì )上，首次展示了全球首款 321 層 NAND 閃存。

SK 海力士的技術(shù)路線(xiàn)便是選擇 4D 堆疊。值得注意的是，SK 海力士在 2018 年研發(fā)的 96 層 NAND 閃存就超越了傳統的 3D 方式，并導入了 4D 方式。

傳統的 3D NAND 架構由堆疊的 NAND 陣列和外圍電路組成。在大多數設計中，外圍電路放置在 3D NAND 陣列旁邊，這種布局占用了裸片區域，并最終限制了可用于內存本身的區域數量。SK 海力士將過(guò)去放置在存儲單元旁側的外圍電路轉移至存儲單元下方，減少了芯片占用空間。并將其稱(chēng)之為 4D NAND。

相比 3D 方式，4D 架構具有單元面積更小，生產(chǎn)效率更高的優(yōu)點(diǎn)。

321 層 1Tb TLC NAND 的效率比上一代 238 層 512Gb 提高了 59%。這是由于數據存儲的單元可以以更多的單片數量堆棧至更高，在相同芯片上實(shí)現更大存儲容量，進(jìn)而增加了單位晶圓上芯片的產(chǎn)出數量。

SK 海力士相關(guān)負責人表示，「以正在量產(chǎn)的最高級 238 層 NAND 積累的技術(shù)經(jīng)驗為基礎，公司正在有序進(jìn)行 321 層 NAND 的研發(fā)?！怪档米⒁獾氖?，早在 2022 年，SK 海力士就已成功研發(fā) 238 層 4D NAND 閃存。

作為業(yè)界首家公布 300 層以上 NAND 具體開(kāi)發(fā)進(jìn)展的公司，SK 海力士宣布，將進(jìn)一步完善 321 層 NAND 閃存，并計劃于 2025 年上半年開(kāi)始量產(chǎn)。

鎧俠和西部數據宣布推出?218 層 3D NAND 閃存

去年 3 月，鎧俠和西部數據宣布推出?218 層 3D NAND 閃存。該閃存利用了 1Tb 三層單元（TLC）和四層單元（QLC）的四個(gè)平面，通過(guò)創(chuàng )新的橫向收縮技術(shù)，將位密度提高了 50% 以上。其 NAND I/O 接口速度超過(guò)了 3.2Gb/s，比上一代產(chǎn)品提高了 60%，再加上寫(xiě)入性能和讀取延遲有著(zhù) 20% 的提升幅度，將加速用戶(hù)的整體性能和可用性。

產(chǎn)品發(fā)布時(shí)，鎧俠首席技術(shù)官 Masaki Momodomi 表示，很高興通過(guò)與西部數據獨特的工程合作，成功地推出了具有業(yè)界最高位密度的第八代 BiCS FLASH，目前已開(kāi)始向部分客戶(hù)提供樣品，未來(lái)將用于一系列以數據為中心的應用，包括智能手機、物聯(lián)網(wǎng)設備和數據中心。

鎧俠選用的是 BiCS 架構，這是鎧俠在 2007 年提出的概念。此外，西數、鎧俠還開(kāi)發(fā)了新的 CBA 技術(shù)，也就是將 CMOS 直接鍵合在陣列之上，每個(gè) CMOS 晶圓、單元陣列晶圓都使用最適合的技術(shù)工藝獨立制造，再鍵合到一起，從而大大提升存儲密度、I/O 速度。

美光宣布 232 層 QLC NAND 現已量產(chǎn)

今年 4 月，美光宣布其 232 層 QLC NAND 現已量產(chǎn)，并在部分 Crucial 英睿達固態(tài)硬盤(pán)（SSD）中出貨。與此同時(shí)，美光 2500 NVMe SSD 也已面向企業(yè)級存儲客戶(hù)量產(chǎn)，并向 PC OEM 廠(chǎng)商出樣。

美光 232 層 QLC NAND 可為移動(dòng)設備、客戶(hù)端設備、邊緣和數據中心存儲設備帶來(lái)無(wú)與倫比的性能，其主要優(yōu)勢包括：業(yè)界領(lǐng)先的存儲密度，比競爭對手最新產(chǎn)品的存儲密度提升高達 28%；業(yè)界領(lǐng)先的 2400 MT/s1 NAND 輸入/輸出（I/O）速度，比上一代產(chǎn)品提升 50%；讀取性能比上一代產(chǎn)品提升 24%；編程性能比上一代產(chǎn)品提升 31%。

1000 層都未必是終點(diǎn)

增加 3D NAND 器件中的有源層數量是當今提高閃存記錄密度的最佳方法，因此所有 3D NAND 制造商都努力每 1.5 到 2 年就推出新的工藝節點(diǎn)來(lái)實(shí)現這一目標。

雖然當下的競爭主要聚焦在 200 層左右，但是 200 層遠遠不是終點(diǎn)，近兩年已經(jīng)有巨頭開(kāi)始瞄準 1000 層堆疊的 3D NAND。

在 2023 年的 IEDM 會(huì )議上，三星電子預測在不久的將來(lái)，堆疊字線(xiàn)的數量將超過(guò) 1,000 層，他們也正在進(jìn)行技術(shù)開(kāi)發(fā)，目標是實(shí)現 1,000 層。

三星表示 3D NAND 閃存層的速度正在呈指數級增長(cháng)。最初，大約需要五代才能達到 100 層。對于三星來(lái)說(shuō)，第 5 代（V5）有 92 層，第 6 代（V6）有 128 層。然而，從第六代（V6）的 128 層開(kāi)始，只過(guò)了兩代就增加了 100 層。比如：第 8 代（V8）最多有 236 個(gè)字線(xiàn)層。這意味著(zhù)第 8 代在第 6 代之上堆疊了 108 層。

如果按照這個(gè)速度下去，第 9 代（V9）將達到 300 層以上，第 10 代（V10）將達到 430 層，第 11 代（V11）將達到 580 層。如今，三星正在為 V13 一代的堆疊字線(xiàn)數量超過(guò) 1000 層作出積極努力。

此外，其他存儲廠(chǎng)商也正在持續發(fā)力更高層數 NAND Flash，美光 232 層之后，計劃推出 2YY、3XX 與 4XX 等更高層數產(chǎn)品；鎧俠與西數也在積極探索 300 層以上、400 層以上與 500 層以上的 3D NAND 技術(shù)。

近日，鎧俠首席技術(shù)官 Hidefumi Miyajima 在東京城市大學(xué)舉行的第 71 屆應用物理學(xué)會(huì )春季會(huì )議上也表示，計劃到 2031 年開(kāi)始批量生產(chǎn)超過(guò) 1000 層的 3D NAND 閃存芯片。

需要注意的是，1000 層 NAND 可沒(méi)有那么好做。

從理論上講，堆疊 1000 層以上的 NAND 是可行的，但需要解決堆棧過(guò)程中的沉積和蝕刻問(wèn)題。

具體來(lái)看，在 2D NAND 的發(fā)展進(jìn)程中，光刻技術(shù)是推動(dòng)其發(fā)展的關(guān)鍵工藝，3D NAND 則完全不同，存儲單元以垂直堆疊的方式實(shí)現容量的增長(cháng)。

Lam Research 電介質(zhì)首席技術(shù)官 Bart van Schravendijk 表示，3D NAND 堆疊到 96 層時(shí)，實(shí)際沉積層數已經(jīng)達到了 192 層以上，其中，氮化硅層的均勻性將成為影響器件性能的關(guān)鍵參數。

除此之外，3D NAND 工藝流程中最困難的部分當屬高縱深比要求的蝕刻工藝。在 3D NAND 結構中，必須通過(guò)蝕刻工藝從器件的頂層到底層蝕刻出微小的圓形孔道，將存儲單元能夠垂直聯(lián)通起來(lái)。

Lam Research 表示，對于 96 層 3D NAND 晶圓來(lái)講，蝕刻的縱深比高達 70：1，而且每塊晶圓中都要有一萬(wàn)億個(gè)這樣細小的孔道，這些孔道必須互相平行規整。隨著(zhù)堆疊層數的增加，蝕刻工藝的難度也會(huì )逐漸增大。

這也意味著(zhù)倘若未來(lái)堆疊的層數超過(guò) 1000 層，芯片廠(chǎng)商或將需要面臨越來(lái)越復雜、昂貴的工藝。到時(shí)候，存儲產(chǎn)業(yè)需要找到新的解決方法不斷滿(mǎn)足人們日益增長(cháng)的存儲需求，當然，這也可能是一種全新的存儲介質(zhì)，各大原廠(chǎng)同樣深知這一點(diǎn)，目前也在積極投入研發(fā)當中，例如：FeRAM，MRAM，PCM，RRAM 等，然而，哪種器件能夠突出重圍，成為下一代非易失性存儲器件，還需時(shí)間給出答案。

更高層數的 NAND 帶來(lái)了什么?

NAND 芯片的堆疊層數越多，其主要性能上的好處包括增加了存儲密度、改善了讀寫(xiě)速度、提升了輸入輸出效率、降低了功耗、縮小了物理空間占用。這一系列的優(yōu)點(diǎn)對于小型化、高性能的移動(dòng)設備和固態(tài)硬盤(pán)（SSD）等產(chǎn)品尤為重要。

對于 NAND 行業(yè)而言，NAND 閃存類(lèi)存儲本身處在 AI 生態(tài)鏈中，任何數據如果沒(méi)有 SSD 便無(wú)法運轉起來(lái)，因此大模型興起客觀(guān)上就會(huì )引發(fā)對 NAND 需求。

隨著(zhù)堆疊層數的提高，毫無(wú)疑問(wèn)將實(shí)現容量的提高以及單位成本的降低，隨之 SSD 的價(jià)格也有所下探。

當下時(shí)刻，NAND 閃存光景大好

自 2023 年第四季度以來(lái)，存儲行業(yè)環(huán)境改善明顯，下游市場(chǎng)需求復蘇，存儲產(chǎn)品的銷(xiāo)量也實(shí)現同比大幅增長(cháng)。

根據 TrendForce 集邦咨詢(xún)最新研究報告表明，受惠于 AI 服務(wù)器自二月起擴大采用 Enterprise SSD 影響，大容量 SSD 訂單開(kāi)始涌現，結合 PC、智能手機客戶(hù)因價(jià)格上漲持續提高庫存儲備，帶動(dòng) 2024 年第一季 NAND Flash 量?jì)r(jià)齊揚，營(yíng)收季增 28.1%，達 147.1 億美元。

本季排名變動(dòng)最大在于美光超越西部數據，位居第四名。主要是美光于 2023 年第四季價(jià)格及出貨量略低于其他競爭對手，故第一季營(yíng)收成長(cháng)幅度以 51.2% 居冠，達 17.2 億美元。

三星受惠于消費級買(mǎi)家持續提高庫存水位，以及 Enterprise SSD 訂單開(kāi)始復蘇，第一季營(yíng)收季增 28.6%，達 54 億美元，穩居市場(chǎng)首位。第二季受惠于 Enterprise SSD 出貨動(dòng)能擴大，盡管消費級產(chǎn)品訂單動(dòng)能轉趨保守，但因 NAND Flash 合約價(jià)持續上漲，三星第二季營(yíng)收有機會(huì )再成長(cháng)逾兩成。

SK 集團受惠于智能手機、服務(wù)器訂單動(dòng)能強勁，帶動(dòng)第一季營(yíng)收季增 31.9%，達 32.7 億美元。由于 Solidigm 擁有獨特的 Floating Gate QLC 技術(shù)，大容量 Enterprise SSD 訂單動(dòng)能續強，第二季 SK 集團出貨位元成長(cháng)幅度可望優(yōu)于其他供應商，營(yíng)收預估續增兩成。

鎧俠由于第一季產(chǎn)出仍受去年第四季減產(chǎn)策略影響，出貨位元僅季增 7%，但受惠于 NAND Flash 均價(jià)上漲，帶動(dòng)第一季營(yíng)收季增 26.3%，達 18.2 億美元。第二季在供應位元逐步上升，加上提供客戶(hù)更彈性的議價(jià)空間下，進(jìn)一步擴大 Enterprise SSD 出貨量，第二季營(yíng)收預期將再成長(cháng)約兩成。

西部數據由于零售市場(chǎng)需求自今年二月起明顯萎縮，影響出貨位元表現，但同樣受惠于 NAND Flash 合約價(jià)上漲，帶動(dòng)西部數據第一季營(yíng)收季增 2.4%，達 17.1 億美元。值得注意的是，第二季受限于整體消費性市場(chǎng)仍未回溫，加上 PC 及智能手機全年展望保守，故西部數據欲加速 Enterprise SSD 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，以擴大未來(lái)成長(cháng)動(dòng)能。然而，企業(yè)級產(chǎn)品驗證時(shí)程較長(cháng)，對帶動(dòng)短期出貨動(dòng)能成長(cháng)有限，預期西部數據第二季營(yíng)收可能持平。

觀(guān)察第二季趨勢，PC 及智能手機客戶(hù)的 NAND Flash 庫存水位已高，加上今年消費終端訂單成長(cháng)仍未優(yōu)于預期，品牌廠(chǎng)買(mǎi)家備貨轉趨保守。與此同時(shí)，受惠于大容量 Enterprise SSD 訂單翻倍，帶動(dòng)第二季 NAND Flash 產(chǎn)品均價(jià)續漲 15%，預估第二季 NAND Flash 營(yíng)收有機會(huì )再季增近一成。