NAND Flash市場跑出新黑馬：三星意外掉隊！
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來源：semianalysis
幾十年前，類似的成本縮放改進在 DRAM 和邏輯等其他半導體技術中很常見，但這些子行業(yè)會認為這種改進速度在后摩爾定律宇宙中是不可持續(xù)的。生產力的提高主要是由 Lam Research 蝕刻和沉積工具的改進以及制造商開發(fā)的工藝節(jié)點推動的。從歷史上看，當半導體行業(yè)進行如此快速的創(chuàng)新時，許多公司在技術上被拋在了塵埃中。行業(yè)整合出現(xiàn)。只出現(xiàn)了幾個強者。3D NAND 今天也處于類似的位置，該行業(yè)的未來經(jīng)濟狀況也在不斷變化。英特爾賣掉了他們的NAND業(yè)務，鎧俠和西部數(shù)據(jù)出現(xiàn)了很大的動蕩。
在本報告中，我們希望對三星、SK 海力士、美光、Solidigm、長江存儲、西部數(shù)據(jù)和鎧俠的工藝技術進行狀態(tài)檢查。快速總結是，美光、SK 海力士和 YMTC 領先于其他公司。與此同時，三星在幾年前還是 NAND 技術的絕對領導者，卻奇怪地落后了。而來自中國的長江存儲現(xiàn)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。
長江存儲YMTC 對他們的新一代 NAND 非常低調，該系列新產品搭載了公司新一代的Xtacking 3.0 技術。在官方新聞稿中，他們沒說明新產品的層數(shù)。官方的路線并沒有將 Xtacking 3.0 作為業(yè)界最密集的 1Tb TLC NAND 進行推廣。但在SemiAnalysis 看來，Xtacking 3.0 是密度最大的商用 1Tb TLC NAND，15.2Gbit/mm2；在層數(shù)上，據(jù)分析，長存產品的層數(shù)“超過230層”；我們相信232層；在性能上，該產品可與美光的 232 層 NAND 媲美，采用類似的 6 平面架構，數(shù)據(jù)速率為 2.4Gbps。最后，它已經(jīng)送樣給合作伙伴。
我們通過在Angstronomics的虛擬幫助下測量物理模具來確定這些事實?？梢栽L問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(xiàn)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(jié)，包括發(fā)貨時間。
據(jù)報道，長江存儲在新產品上還用上了很多新技術，例如陣列上的混合鍵合 CMOS、中心驅動器 XDEC，以及從前端深溝工藝到后端源連接 (BSSC) 的過渡。YMTC 還計劃為內存處理實現(xiàn)進一步的邏輯，包括采用堆疊 CMOS 技術的神經(jīng)形態(tài)類型計算。
長江存儲不是模仿者。他們正在構建自己的創(chuàng)新和獨特的產品，他們在 NAND 領域憑借本土創(chuàng)新領先于其他玩家。
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)。在技術或巨額補貼方面不具備持久優(yōu)勢的公司將面臨關于其未來業(yè)務生存能力的災難。長江存儲二廠設備已接近滿載，三廠正在建設中。據(jù)稱，長江存儲還有更遠大的規(guī)劃。
鎧俠和西部數(shù)據(jù)鎧俠和西部數(shù)據(jù)在 3D NAND 的制造和技術開發(fā)方面進行了合作，因此它們被組合在一起。他們估計，Zettabyte 的 NAND 將在 2022 年出貨。他們的閃存峰會演講涵蓋了 3D NAND 縮放的一些權衡。縮放有 4 個主要向量，垂直縮放、橫向縮放、架構縮放和邏輯縮放。
上面是一張關于 SLC、MLC、TLC、QLC 和 PLC 縮放的有趣幻燈片。隨著越來越多的位存儲在一個單元中，讀取延遲會增加，并且程序擦除周期的耐久性會降低。鎧俠和西部數(shù)據(jù)正在探索使用每個單元 4.5 位或每個 NAND 單元 3.5 位來增加密度和降低成本，同時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(shù)，因此制造成本更高。
PCIe 多年來一直停留在 3.0 上，但近年來代際改進加速。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(shù)據(jù)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，這使得每個平面中的讀取可以更有效地打包（大多數(shù)競爭對手引入了這一點或將在他們的一代中這樣做）。由于這些創(chuàng)新，隨機讀取性能顯著提高。
西部數(shù)據(jù)和鎧俠的路線圖包括擴展層以及非層數(shù)相關技術。晶圓鍵合被列為下一個被采用作為提高單元陣列效率的技術。這是長江存儲第三次迭代的 Xtacking 3.0 的技術。PLC NAND也在考慮之中。Western Digital 告訴我們，他們甚至在實驗室中試驗了高達 7 位/單元（128 個電壓等級）。它存在于他們的實驗室中，但需要由液氮維持的極低溫度。鎧俠和西部數(shù)據(jù)是僅有的在其路線圖中使用 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圖上。他們討論的最后一項技術是多堆疊。CMOS 陣列和多個 NAND 陣列都將采用順序混合鍵合方法進行堆疊。理論上，這項技術的成本改進很小，但密度增益將是巨大的。
鎧俠和西部數(shù)據(jù)還開發(fā)了第二代存儲級內存，他們將其作為 XL-Flash-2 銷售。由于成本較高，它是否會增加產量還有待觀察，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 總線上的大規(guī)模部署，但 DRAM 池/共享通常更適合這些工作負載。
三星長期以來，三星在 NAND 市場占有率最高。正如《非易失性存儲，輝煌70年！》所示，它們在歷史上引領了許多技術轉型。這種技術領先存在于他們的 128 層技術，這是世界上容量最大的 NAND 工藝節(jié)點。
3D NAND 中最關鍵的工藝步驟是通過多層 NAND 的高縱橫比蝕刻和隨后的沉積步驟。雖然業(yè)內幾乎每個人都在這些關鍵步驟中使用 Lam Research 的工具，但三星是唯一一家同時蝕刻超過 120 層的公司。其他公司在其 100 層以上的 NAND 架構上使用多個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deck額外增加成本。
盡管在 128 層方面處于領先地位，但三星多年來一直沒有推出新的 NAND 工藝技術。他們的 176 層和 >200 層 NAND 工藝技術尚未被逆向工程公司或拆解在任何 SSD 中發(fā)現(xiàn)。盡管他們聲稱會在 2021 年出貨 176 層消費級 SSD，但迄今沒有看到。雖然官方原因尚未披露，但據(jù)報道很可能源于文化問題引發(fā)的工藝問題。三星仍然表示，第 7 代 V-NAND，176 層 512Gb TLC，2Gbps，是 2021 年的技術。他們還注意到 176 層 1Tb QLC 即將推出。第 8 代 V-NAND 超過 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 代將同時進行橫向收縮、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(xiàn)，我們對他們的說法持懷疑態(tài)度。
三星處于不穩(wěn)定的境地，曾經(jīng)落后的公司現(xiàn)在正在競相領先，并開始實現(xiàn)更好的成本結構。層數(shù)并不是 NAND 擴展的全部，許多其他因素都會影響最終的每比特成本。根據(jù)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，因為它具有高資本效率和良率以及長期存在的 128 層工藝節(jié)點。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(xù)推遲其新的工藝節(jié)點，他們就有可能進一步落后。順便說一句，我們在閃存峰會上與來自競爭公司的許多工藝工程師進行了交談，他們對三星在 NAND 工藝節(jié)點轉換方面發(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。他們在第四季度開始大規(guī)模生產 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，他們甚至可能很快與三星交換位置。
SK海力士238層明年上半年開始量產，512Gb TLC裸片。SK 海力士表示，新的 NAND 技術將在每個晶圓上多生產 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 NAND 速度快到 2.4Gbps。美光和 YMTC 僅計劃在其 232 層數(shù)技術中使用 1Tb 裸片，但 SK 海力士可以使用更小的 512Gb 裸片實現(xiàn)相同的速度，并且僅使用 4 平面而不是 6 平面。
SK海力士提出的未來路線圖非常有趣。SK 海力士表示，他們計劃在 238 層一代之后繼續(xù)使用 Array NAND 下的 CMOS 再發(fā)展 3 代。特別是，接下來的 xxx 層 NAND 工藝將有更顯著的層數(shù)增加和更快的過渡。SK 海力士因其長期的創(chuàng)新而有一個可怕的營銷名稱——4D^2。這些涉及共享位線和更多行。他們討論了使用串聯(lián)的 2 個單元來存儲超過 6 位的數(shù)據(jù)，而不是獨立的單元和存儲 8 個電壓電平用于每個單元 3 位的數(shù)據(jù)。所有這些技術的重點似乎是每層封裝更多位。
轉向 Solidigm（以前是英特爾的 NAND 業(yè)務），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 將用于價值和 HDD 更換領域。SK 海力士與英特爾之間的部分交易條款涉及工藝技術人員在幾年內從英特爾轉移，而不是立即轉移。Solidigm 大連中國工廠將在英特爾開發(fā)的工藝技術上運行至少幾年。下一代 Solidigm 浮柵節(jié)點為 192 層。我們相信這是一個 4 層設計，每層deck有 48 層。對于 TLC 架構，該過程的成本效益將備受爭議。通過在每個單元中使用更多位可以緩解這種成本劣勢，這是浮動柵極架構相對于電荷陷阱架構的優(yōu)勢。雖然大多數(shù)電荷陷阱體積是 TLC（每個單元 3 位），但 Solidigm 節(jié)點專注于 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 個電壓電平以每個單元存儲 4 位，QLC 一直受到性能不佳的困擾，但新節(jié)點聲稱可以解決其中的許多問題。第 4 代 QLC 有一些非常出色的聲明，即程序寫入時間提高 2.5 倍，隨機讀取提高 5 倍，在第 99 個百分位時讀取延遲提高 1.5 倍。這些改進將使 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 個電壓電平，以便每個單元存儲 5 位。這將每個晶圓制造的位數(shù)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，性能受到的影響可能很大。作為一個有趣的噱頭，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 工藝技術方面也落后于三星幾年。
美光做出了一些根本性的改變，現(xiàn)在他們是內存行業(yè)的領導者。Sanjay Mehrotra 是 SanDisk 的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官，該公司以190億美元的價格賣給了 Western Digital。不久之后，他被任命為美光的首席執(zhí)行官。英特爾合資公司（IMFT）解散，NAND架構從浮柵過渡到電荷陷阱，3D XPoint 內存開發(fā)也停止了。
修復了美光的一些潛在工藝和培養(yǎng)問題。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、成本最高的工廠到每比特 DRAM 的晶圓廠，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工率基本相同，并專注于更好的工藝技術以增加位出貨量。這使他們能夠降低資本支出，但仍保持市場份額。由于“芯片飯”，該策略可能會改變，因為在美國可能會發(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(xiàn)在多個 SSD 和控制器公司的展位上。這些第 3 方公司告訴我，他們預計增長速度會很快，232 層將成為美光明年產量的主要部分。
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