NAND Flash市場(chǎng)跑出新黑馬：三星意外掉隊！

來(lái)源：semianalysis

NAND是一個(gè)競爭激烈、不斷進(jìn)步的市場(chǎng)。制造和出貨的 NAND 位數以每年 30% 到 35% 的速度增長(cháng)，每 2 到 3 年翻一番。最初的看法是，這需要大量資金專(zhuān)門(mén)用于新設備，但 NAND 行業(yè)從 2017 年到 2022 年每年僅在晶圓制造設備上花費了150億到200億美元，盡管呈指數級增長(cháng)，但生產(chǎn)NAND的成本迅速下降。幾十年前，類(lèi)似的成本縮放改進(jìn)在 DRAM 和邏輯等其他半導體技術(shù)中很常見(jiàn)，但這些子行業(yè)會(huì )認為這種改進(jìn)速度在后摩爾定律宇宙中是不可持續的。生產(chǎn)力的提高主要是由 Lam Research 蝕刻和沉積工具的改進(jìn)以及制造商開(kāi)發(fā)的工藝節點(diǎn)推動(dòng)的。
從歷史上看，當半導體行業(yè)進(jìn)行如此快速的創(chuàng )新時(shí)，許多公司在技術(shù)上被拋在了塵埃中。行業(yè)整合出現。只出現了幾個(gè)強者。3D NAND 今天也處于類(lèi)似的位置，該行業(yè)的未來(lái)經(jīng)濟狀況也在不斷變化。英特爾賣(mài)掉了他們的NAND業(yè)務(wù)，鎧俠和西部數據出現了很大的動(dòng)蕩。
在本報告中，我們希望對三星、SK 海力士、美光、Solidigm、長(cháng)江存儲、西部數據和鎧俠的工藝技術(shù)進(jìn)行狀態(tài)檢查?？焖倏偨Y是，美光、SK 海力士和 YMTC 領(lǐng)先于其他公司。與此同時(shí)，三星在幾年前還是 NAND 技術(shù)的絕對領(lǐng)導者，卻奇怪地落后了。而來(lái)自中國的長(cháng)江存儲現在出貨密度最高的3D NAND。
SemiAnalysis和Angstronomics編制了下表。它有許多細微差別，將在下文中解釋。長(cháng)江存儲YMTC 對他們的新一代 NAND 非常低調，該系列新產(chǎn)品搭載了公司新一代的Xtacking 3.0 技術(shù)。在官方新聞稿中，他們沒(méi)說(shuō)明新產(chǎn)品的層數。官方的路線(xiàn)并沒(méi)有將 Xtacking 3.0 作為業(yè)界最密集的 1Tb TLC NAND 進(jìn)行推廣。
但在SemiAnalysis 看來(lái)，Xtacking 3.0 是密度最大的商用 1Tb TLC NAND，15.2Gbit/mm2；在層數上，據分析，長(cháng)存產(chǎn)品的層數“超過(guò)230層”；我們相信232層；在性能上，該產(chǎn)品可與美光的 232 層 NAND 媲美，采用類(lèi)似的 6 平面架構，數據速率為 2.4Gbps。最后，它已經(jīng)送樣給合作伙伴。
我們通過(guò)在A(yíng)ngstronomics的虛擬幫助下測量物理模具來(lái)確定這些事實(shí)?？梢栽L(fǎng)問(wèn)物理模具也使我們能夠確認它是 6 平面。我們在第 3 方臺灣公司的展位上發(fā)現了他們采用 SSD 封裝的新 NAND。他們很高興告訴我們其他一些細節，包括發(fā)貨時(shí)間。
據報道，長(cháng)江存儲在新產(chǎn)品上還用上了很多新技術(shù)，例如陣列上的混合鍵合 CMOS、中心驅動(dòng)器 XDEC，以及從前端深溝工藝到后端源連接 (BSSC) 的過(guò)渡。YMTC 還計劃為內存處理實(shí)現進(jìn)一步的邏輯，包括采用堆疊 CMOS 技術(shù)的神經(jīng)形態(tài)類(lèi)型計算。
長(cháng)江存儲不是模仿者。他們正在構建自己的創(chuàng )新和獨特的產(chǎn)品，他們在 NAND 領(lǐng)域憑借本土創(chuàng )新領(lǐng)先于其他玩家。
YMTC 在收益率方面仍然落后，但他們一直在迅速提高。幾年后，我們毫不懷疑長(cháng)江存儲將在成本上與業(yè)內最好的公司競爭。它們將從結構上改變 NAND 行業(yè)。在技術(shù)或巨額補貼方面不具備持久優(yōu)勢的公司將面臨關(guān)于其未來(lái)業(yè)務(wù)生存能力的災難。長(cháng)江存儲二廠(chǎng)設備已接近滿(mǎn)載，三廠(chǎng)正在建設中。據稱(chēng)，長(cháng)江存儲還有更遠大的規劃。
鎧俠和西部數據鎧俠和西部數據在 3D NAND 的制造和技術(shù)開(kāi)發(fā)方面進(jìn)行了合作，因此它們被組合在一起。他們估計，Zettabyte 的 NAND 將在 2022 年出貨。他們的閃存峰會(huì )演講涵蓋了 3D NAND 縮放的一些權衡?？s放有 4 個(gè)主要向量，垂直縮放、橫向縮放、架構縮放和邏輯縮放。上面是一張關(guān)于 SLC、MLC、TLC、QLC 和 PLC 縮放的有趣幻燈片。隨著(zhù)越來(lái)越多的位存儲在一個(gè)單元中，讀取延遲會(huì )增加，并且程序擦除周期的耐久性會(huì )降低。鎧俠和西部數據正在探索使用每個(gè)單元 4.5 位或每個(gè) NAND 單元 3.5 位來(lái)增加密度和降低成本，同時(shí)不犧牲盡可能多的延遲和耐用性。
在 3D NAND 中，工程選擇通常取決于性能、成本和耐用性。對于同等容量的 SSD 而言，更大的容量更具成本效益，但性能較差。較大的單元尺寸性能更好，但由于難以擴展到更高的層數，因此制造成本更高。PCIe 多年來(lái)一直停留在 3.0 上，但近年來(lái)代際改進(jìn)加速。這導致了許多創(chuàng )新，以使可用帶寬完全飽和。鎧俠和西部數據表示，他們的 NAND 接口帶寬每一代都增加了 30%。此外，他們引入了異步獨立平面讀取，這使得每個(gè)平面中的讀取可以更有效地打包（大多數競爭對手引入了這一點(diǎn)或將在他們的一代中這樣做）。由于這些創(chuàng )新，隨機讀取性能顯著(zhù)提高。西部數據和鎧俠的路線(xiàn)圖包括擴展層以及非層數相關(guān)技術(shù)。晶圓鍵合被列為下一個(gè)被采用作為提高單元陣列效率的技術(shù)。這是長(cháng)江存儲第三次迭代的 Xtacking 3.0 的技術(shù)。PLC NAND也在考慮之中。Western Digital 告訴我們，他們甚至在實(shí)驗室中試驗了高達 7 位/單元（128 個(gè)電壓等級）。它存在于他們的實(shí)驗室中，但需要由液氮維持的極低溫度。
鎧俠和西部數據是僅有的在其路線(xiàn)圖中使用 PLC 電荷陷阱存儲器的公司。CMOS 縮放和單元間距縮放也在路線(xiàn)圖上。他們討論的最后一項技術(shù)是多堆疊。CMOS 陣列和多個(gè) NAND 陣列都將采用順序混合鍵合方法進(jìn)行堆疊。理論上，這項技術(shù)的成本改進(jìn)很小，但密度增益將是巨大的。
鎧俠和西部數據還開(kāi)發(fā)了第二代存儲級內存，他們將其作為 XL-Flash-2 銷(xiāo)售。由于成本較高，它是否會(huì )增加產(chǎn)量還有待觀(guān)察，但由于使用 16 平面和 MLC NAND，它的速度要快得多。這僅適用于延遲較低的 CXL 總線(xiàn)上的大規模部署，但 DRAM 池/共享通常更適合這些工作負載。
三星長(cháng)期以來(lái)，三星在 NAND 市場(chǎng)占有率最高。正如《非易失性存儲，輝煌70年！》所示，它們在歷史上引領(lǐng)了許多技術(shù)轉型。這種技術(shù)領(lǐng)先存在于他們的 128 層技術(shù)，這是世界上容量最大的 NAND 工藝節點(diǎn)。

3D NAND 中最關(guān)鍵的工藝步驟是通過(guò)多層 NAND 的高縱橫比蝕刻和隨后的沉積步驟。雖然業(yè)內幾乎每個(gè)人都在這些關(guān)鍵步驟中使用 Lam Research 的工具，但三星是唯一一家同時(shí)蝕刻超過(guò) 120 層的公司。其他公司在其 100 層以上的 NAND 架構上使用多個(gè)decks，但三星 128 層僅使用 1 層。例如，Solidigm 在其 144 層 NAND 上使用 3 層decks。每個(gè)deck額外增加成本。盡管在 128 層方面處于領(lǐng)先地位，但三星多年來(lái)一直沒(méi)有推出新的 NAND 工藝技術(shù)。他們的 176 層和 >200 層 NAND 工藝技術(shù)尚未被逆向工程公司或拆解在任何 SSD 中發(fā)現。盡管他們聲稱(chēng)會(huì )在 2021 年出貨 176 層消費級 SSD，但迄今沒(méi)有看到。雖然官方原因尚未披露，但據報道很可能源于文化問(wèn)題引發(fā)的工藝問(wèn)題。
三星仍然表示，第 7 代 V-NAND，176 層 512Gb TLC，2Gbps，是 2021 年的技術(shù)。他們還注意到 176 層 1Tb QLC 即將推出。第 8 代 V-NAND 超過(guò) 200 層。三星表示，它將是 2.4Gbps 的 1Tb TLC 裸片，將于 2022 年發(fā)貨。第 8 代將同時(shí)進(jìn)行橫向收縮、更多層和外圍收縮。三星還在 2023 年推出了第 9 代 V-NAND。鑒于第 7 代 V-NAND 的表現，我們對他們的說(shuō)法持懷疑態(tài)度。三星處于不穩定的境地，曾經(jīng)落后的公司現在正在競相領(lǐng)先，并開(kāi)始實(shí)現更好的成本結構。層數并不是 NAND 擴展的全部，許多其他因素都會(huì )影響最終的每比特成本。根據我們的成本模型，三星仍然擁有第二最具成本效益的 NAND 工藝技術(shù)，因為它具有高資本效率和良率以及長(cháng)期存在的 128 層工藝節點(diǎn)。我們的理論是三星避免增加其 176 層 NAND，因為由于轉向 2 層架構，它的成本效益低于 128 層。
如果三星繼續推遲其新的工藝節點(diǎn)，他們就有可能進(jìn)一步落后。順便說(shuō)一句，我們在閃存峰會(huì )上與來(lái)自競爭公司的許多工藝工程師進(jìn)行了交談，他們對三星在 NAND 工藝節點(diǎn)轉換方面發(fā)生的事情感到非常困惑。
SK 海力士和 SolidigmSK海力士在相對定位上一直在提升。他們在第四季度開(kāi)始大規模生產(chǎn) 176 層 1Tb QLC，從而迅速提升了 176 層 TLC。我們的成本模型將 SK 海力士列為第三最具成本效益的 NAND 工藝技術(shù)，他們甚至可能很快與三星交換位置。
SK海力士238層明年上半年開(kāi)始量產(chǎn)，512Gb TLC裸片。SK 海力士表示，新的 NAND 技術(shù)將在每個(gè)晶圓上多生產(chǎn) 34% 的比特，提高 50% 的 IO 速度，提高 10% 的程序性能，以及提高 21% 的讀取功率效率。這個(gè) NAND 速度快到 2.4Gbps。美光和 YMTC 僅計劃在其 232 層數技術(shù)中使用 1Tb 裸片，但 SK 海力士可以使用更小的 512Gb 裸片實(shí)現相同的速度，并且僅使用 4 平面而不是 6 平面。SK海力士提出的未來(lái)路線(xiàn)圖非常有趣。SK 海力士表示，他們計劃在 238 層一代之后繼續使用 Array NAND 下的 CMOS 再發(fā)展 3 代。特別是，接下來(lái)的 xxx 層 NAND 工藝將有更顯著(zhù)的層數增加和更快的過(guò)渡。
SK 海力士因其長(cháng)期的創(chuàng )新而有一個(gè)可怕的營(yíng)銷(xiāo)名稱(chēng)——4D^2。這些涉及共享位線(xiàn)和更多行。他們討論了使用串聯(lián)的 2 個(gè)單元來(lái)存儲超過(guò) 6 位的數據，而不是獨立的單元和存儲 8 個(gè)電壓電平用于每個(gè)單元 3 位的數據。所有這些技術(shù)的重點(diǎn)似乎是每層封裝更多位。轉向 Solidigm（以前是英特爾的 NAND 業(yè)務(wù)），NAND 架構有所不同。Solidigm 使用浮柵架構，而 SK Hynix 使用電荷陷阱。SK 海力士計劃將其內部電荷陷阱用于性能和主流，而 Solidigm 將用于價(jià)值和 HDD 更換領(lǐng)域。SK 海力士與英特爾之間的部分交易條款涉及工藝技術(shù)人員在幾年內從英特爾轉移，而不是立即轉移。Solidigm 大連中國工廠(chǎng)將在英特爾開(kāi)發(fā)的工藝技術(shù)上運行至少幾年。
下一代 Solidigm 浮柵節點(diǎn)為 192 層。我們相信這是一個(gè) 4 層設計，每層deck有 48 層。對于 TLC 架構，該過(guò)程的成本效益將備受爭議。通過(guò)在每個(gè)單元中使用更多位可以緩解這種成本劣勢，這是浮動(dòng)柵極架構相對于電荷陷阱架構的優(yōu)勢。雖然大多數電荷陷阱體積是 TLC（每個(gè)單元 3 位），但 Solidigm 節點(diǎn)專(zhuān)注于 QLC 的體積。
192 層 QLC 將配備 1.33Tb 芯片容量。由于必須準確地保持 16 個(gè)電壓電平以每個(gè)單元存儲 4 位，QLC 一直受到性能不佳的困擾，但新節點(diǎn)聲稱(chēng)可以解決其中的許多問(wèn)題。第 4 代 QLC 有一些非常出色的聲明，即程序寫(xiě)入時(shí)間提高 2.5 倍，隨機讀取提高 5 倍，在第 99 個(gè)百分位時(shí)讀取延遲提高 1.5 倍。這些改進(jìn)將使 Solidigm 192 層 QLC 性能更接近電荷陷阱 TLC。更令人興奮的變化是，192 層工藝將成為第一批具有 1.67Tb 裸片容量的 PLC NAND。使用 PLC，單元必須能夠準確地保持 32 個(gè)電壓電平，以便每個(gè)單元存儲 5 位。這將每個(gè)晶圓制造的位數提高了 25%，但犧牲了性能。鑒于 SK 海力士將 PLC NAND 作為 HDD 替代技術(shù)，性能受到的影響可能很大。作為一個(gè)有趣的噱頭，Solidigm 的團隊在使用 192 層 PLC NAND 的外部 SSD 上運行演示文稿。
美光美光一直是 NAND 行業(yè)的一顆冉冉升起的新型。幾年前，他們在 IMFT 合資企業(yè)中與英特爾結下了不解之緣。他們使用了浮動(dòng)柵極架構，與電荷陷阱相比，它的每比特成本或性能較差。他們在 DRAM 工藝技術(shù)方面也落后于三星幾年。
美光做出了一些根本性的改變，現在他們是內存行業(yè)的領(lǐng)導者。Sanjay Mehrotra 是 SanDisk 的聯(lián)合創(chuàng )始人兼首席執行官，該公司以190億美元的價(jià)格賣(mài)給了 Western Digital。不久之后，他被任命為美光的首席執行官。英特爾合資公司（IMFT）解散，NAND架構從浮柵過(guò)渡到電荷陷阱，3D XPoint 內存開(kāi)發(fā)也停止了。
修復了美光的一些潛在工藝和培養問(wèn)題。美光從 3D NAND 中最差的成本結構變成了 3D NAND 中最好的成本結構。同樣，它們從密度最低、成本最高的工廠(chǎng)到每比特 DRAM 的晶圓廠(chǎng)，再到成本結構第二好的出貨密度最高的 DRAM。
美光的大部分產(chǎn)能是 176 層，他們正在加速和出貨 232 層 NAND。美光的策略是保持晶圓開(kāi)工率基本相同，并專(zhuān)注于更好的工藝技術(shù)以增加位出貨量。這使他們能夠降低資本支出，但仍保持市場(chǎng)份額。由于“芯片飯”，該策略可能會(huì )改變，因為在美國可能會(huì )發(fā)生總計400億美元的制造投資。
美光的 6 平面 2.4Gbps 1Tb TLC 232 層 NAND 出現在多個(gè) SSD 和控制器公司的展位上。這些第 3 方公司告訴我，他們預計增長(cháng)速度會(huì )很快，232 層將成為美光明年產(chǎn)量的主要部分。

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