NAND Flash市場跑出新黑馬：三星意外掉隊(duì)！
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來源：semianalysis
幾十年前，類似的成本縮放改進(jìn)在 DRAM 和邏輯等其他半導(dǎo)體技術(shù)中很常見，但這些子行業(yè)會(huì)認(rèn)為這種改進(jìn)速度在后摩爾定律宇宙中是不可持續(xù)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)以及制造商開發(fā)的工藝節(jié)點(diǎn)推動(dòng)的。從歷史上看，當(dāng)半導(dǎo)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(xiàn)。只出現(xiàn)了幾個(gè)強(qiáng)者。3D NAND 今天也處于類似的位置，該行業(yè)的未來經(jīng)濟(jì)狀況也在不斷變化。英特爾賣掉了他們的NAND業(yè)務(wù)，鎧俠和西部數(shù)據(jù)出現(xiàn)了很大的動(dòng)蕩。
在本報(bào)告中，我們希望對三星、SK 海力士、美光、Solidigm、長江存儲(chǔ)、西部數(shù)據(jù)和鎧俠的工藝技術(shù)進(jìn)行狀態(tài)檢查?？焖倏偨Y(jié)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(dǎo)者，卻奇怪地落后了。而來自中國的長江存儲(chǔ)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(xì)微差別，將在下文中解釋。
長江存儲(chǔ)YMTC 對他們的新一代 NAND 非常低調(diào)，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，他們沒說明新產(chǎn)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(jìn)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(chǎn)品的層數(shù)“超過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，采用類似的 6 平面架構(gòu)，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(shí)。可以訪問物理模具也使我們能夠確認(rèn)它是 6 平面。我們在第 3 方臺(tái)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(xì)節(jié)，包括發(fā)貨時(shí)間。
據(jù)報(bào)道，長江存儲(chǔ)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(qū)動(dòng)器 XDEC，以及從前端深溝工藝到后端源連接 (BSSC) 的過渡。YMTC 還計(jì)劃為內(nèi)存處理實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的邏輯，包括采用堆疊 CMOS 技術(shù)的神經(jīng)形態(tài)類型計(jì)算。
長江存儲(chǔ)不是模仿者。他們正在構(gòu)建自己的創(chuàng)新和獨(dú)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，我們毫不懷疑長江存儲(chǔ)將在成本上與業(yè)內(nèi)最好的公司競爭。它們將從結(jié)構(gòu)上改變 NAND 行業(yè)。在技術(shù)或巨額補(bǔ)貼方面不具備持久優(yōu)勢的公司將面臨關(guān)于其未來業(yè)務(wù)生存能力的災(zāi)難。長江存儲(chǔ)二廠設(shè)備已接近滿載，三廠正在建設(shè)中。據(jù)稱，長江存儲(chǔ)還有更遠(yuǎn)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(shù)開發(fā)方面進(jìn)行了合作，因此它們被組合在一起。他們估計(jì)，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(quán)衡?？s放有 4 個(gè)主要向量，垂直縮放、橫向縮放、架構(gòu)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。隨著越來越多的位存儲(chǔ)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(shù)據(jù)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(kuò)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(jìn)加速。這導(dǎo)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(dú)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(shù)競爭對手引入了這一點(diǎn)或?qū)⒃谒麄兊囊淮羞@樣做）。由于這些創(chuàng)新，隨機(jī)讀取性能顯著提高。
西部數(shù)據(jù)和鎧俠的路線圖包括擴(kuò)展層以及非層數(shù)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)。這是長江存儲(chǔ)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(yàn)室中試驗(yàn)了高達(dá) 7 位/單元（128 個(gè)電壓等級(jí)）。它存在于他們的實(shí)驗(yàn)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(chǔ)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(xiàng)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(xiàng)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(shù)據(jù)還開發(fā)了第二代存儲(chǔ)級(jí)內(nèi)存，他們將其作為 XL-Flash-2 銷售。由于成本較高，它是否會(huì)增加產(chǎn)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(fù)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(chǔ)，輝煌70年！》所示，它們在歷史上引領(lǐng)了許多技術(shù)轉(zhuǎn)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(jié)點(diǎn)。
3D NAND 中最關(guān)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(nèi)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 120 層的公司。其他公司在其 100 層以上的 NAND 架構(gòu)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，但三星多年來一直沒有推出新的 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(xiàn)。盡管他們聲稱會(huì)在 2021 年出貨 176 層消費(fèi)級(jí) SSD，但迄今沒有看到。雖然官方原因尚未披露，但據(jù)報(bào)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(shù)。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(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(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(lǐng)先，并開始實(shí)現(xiàn)更好的成本結(jié)構(gòu)。層數(shù)并不是 NAND 擴(kuò)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(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(shù)，因?yàn)樗哂懈哔Y本效率和良率以及長期存在的 128 層工藝節(jié)點(diǎn)。我們的理論是三星避免增加其 176 層 NAND，因?yàn)橛捎谵D(zhuǎn)向 2 層架構(gòu)，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(diǎn)，他們就有可能進(jìn)一步落后。順便說一句，我們在閃存峰會(huì)上與來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(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)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(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(jì)劃在其 232 層數(shù)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(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(jì)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(gè)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(gè)單元來存儲(chǔ)超過 6 位的數(shù)據(jù)，而不是獨(dú)立的單元和存儲(chǔ) 8 個(gè)電壓電平用于每個(gè)單元 3 位的數(shù)據(jù)。所有這些技術(shù)的重點(diǎn)似乎是每層封裝更多位。
轉(zhuǎn)向 Solidigm（以前是英特爾的 NAND 業(yè)務(wù)），NAND 架構(gòu)有所不同。Solidigm 使用浮柵架構(gòu)，而 SK Hynix 使用電荷陷阱。SK 海力士計(jì)劃將其內(nèi)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(nèi)從英特爾轉(zhuǎn)移，而不是立即轉(zhuǎn)移。Solidigm 大連中國工廠將在英特爾開發(fā)的工藝技術(shù)上運(yùn)行至少幾年。下一代 Solidigm 浮柵節(jié)點(diǎn)為 192 層。我們相信這是一個(gè) 4 層設(shè)計(jì)，每層deck有 48 層。對于 TLC 架構(gòu)，該過程的成本效益將備受爭議。通過在每個(gè)單元中使用更多位可以緩解這種成本劣勢，這是浮動(dòng)?xùn)艠O架構(gòu)相對于電荷陷阱架構(gòu)的優(yōu)勢。雖然大多數(shù)電荷陷阱體積是 TLC（每個(gè)單元 3 位），但 Solidigm 節(jié)點(diǎn)專注于 QLC 的體積。
192 層 QLC 將配備 1.33Tb 芯片容量。由于必須準(zhǔn)確地保持 16 個(gè)電壓電平以每個(gè)單元存儲(chǔ) 4 位，QLC 一直受到性能不佳的困擾，但新節(jié)點(diǎn)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?qū)懭霑r(shí)間提高 2.5 倍，隨機(jī)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(zhǔn)確地保持 32 個(gè)電壓電平，以便每個(gè)單元存儲(chǔ) 5 位。這將每個(gè)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(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(tuán)隊(duì)在使用 192 層 PLC NAND 的外部 SSD 上運(yùn)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(jié)下了不解之緣。他們使用了浮動(dòng)?xùn)艠O架構(gòu)，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(xiàn)在他們是內(nèi)存行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)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(jià)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(gòu)從浮柵過渡到電荷陷阱，3D XPoint 內(nèi)存開發(fā)也停止了。
修復(fù)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(jié)構(gòu)變成了 3D NAND 中最好的成本結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)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工率基本相同，并專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，但仍保持市場份額。由于“芯片飯”，該策略可能會(huì)改變，因?yàn)樵诿绹赡軙?huì)發(fā)生總計(jì)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(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(yù)計(jì)增長速度會(huì)很快，232 層將成為美光明年產(chǎn)量的主要部分。
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