NAND市場，激戰(zhàn)打響

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

目前，NAND 閃存市場的競爭正在加劇，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)品開始量產(chǎn)，這將有助于鞏固其在 NAND 閃存市場的卓越地位。

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 類型之分，而且為進一步提高容量、降低成本，NAND 的制程工藝不斷進步。雖然更先進的制程工藝帶來了更大的容量，但容量提升、成本降低的同時可靠性及性能都在下降。比如：制程工藝不斷革新的同時，NAND cell 單元之間的干擾現(xiàn)象越來越嚴(yán)重。

三星的 V-NAND 便不再追求縮小 cell 單元，而是通過 3D 堆疊技術(shù)封裝更多 cell 單元，實現(xiàn)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(biāo)志著 3D NAND 閃存從技術(shù)概念向商業(yè)市場的轉(zhuǎn)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(nèi)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單元壽命，同時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(shù)據(jù)傳速速度提升 33%，高達(dá) 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(shè)計方面也有改進，其功耗降低了 10%，可使 SSD 變得更為節(jié)能。

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

SK 海力士開發(fā)新一代移動端 NAND 閃存解決方案「ZUFS 4.0」

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

SK 海力士表示：「ZUFS 4.0 為新一代移動端 NAND 閃存解決方案產(chǎn)品，其產(chǎn)品實現(xiàn)業(yè)界最高性能并專為端側(cè) AI 手機進行優(yōu)化。」

ZUFS 按數(shù)據(jù)的各自特性來區(qū)分管理智能手機應(yīng)用程序生成的數(shù)據(jù)。與現(xiàn)有 UFS 不分區(qū)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(shù)據(jù)進行分區(qū)（Zone）存儲，提高手機操作系統(tǒng)的運行速度和存儲設(shè)備的數(shù)據(jù)管理效率。

由此 ZUFS 將在長期使用環(huán)境下，手機應(yīng)用程序的運行時間與現(xiàn)有 UFS 相比改善了約 45%。而且，ZUFS 在存儲讀寫性能下降方面實現(xiàn)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 海力士給客戶提供初期試用產(chǎn)品，而基于此產(chǎn)品規(guī)格與客戶協(xié)作開發(fā)出符合 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)的 4.0 產(chǎn)品。公司將于今年第三季度開始 ZUFS 4.0 產(chǎn)品的量產(chǎn)。

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

只是卷到 200 層？各家技術(shù)路線為何？

根據(jù) TomsHardware 此前報道，三星正在準(zhǔn)備發(fā)布的第 9 代 V-NAND 技術(shù)產(chǎn)品，達(dá)到了 280 層，相比第 8 代 V-NAND 技術(shù)的 236 層有了進一步的提高。三星的技術(shù)路線便是選擇 V-NAND 架構(gòu)。

SK 海力士 321 層 NAND 計劃 2025 年上半年開始量產(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(tǒng)的 3D 方式，并導(dǎo)入了 4D 方式。

傳統(tǒng)的 3D NAND 架構(gòu)由堆疊的 NAND 陣列和外圍電路組成。在大多數(shù)設(shè)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(qū)域，并最終限制了可用于內(nèi)存本身的區(qū)域數(shù)量。SK 海力士將過去放置在存儲單元旁側(cè)的外圍電路轉(zhuǎn)移至存儲單元下方，減少了芯片占用空間。并將其稱之為 4D NAND。

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

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

SK 海力士相關(guān)負(fù)責(zé)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(chǔ)，公司正在有序進行 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 具體開發(fā)進展的公司，SK 海力士宣布，將進一步完善 321 層 NAND 閃存，并計劃于 2025 年上半年開始量產(chǎn)。

鎧俠和西部數(shù)據(jù)宣布推出?218 層 3D NAND 閃存

去年 3 月，鎧俠和西部數(shù)據(jù)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）的四個平面，通過創(chuàng)新的橫向收縮技術(shù)，將位密度提高了 50% 以上。其 NAND I/O 接口速度超過了 3.2Gb/s，比上一代產(chǎn)品提高了 60%，再加上寫入性能和讀取延遲有著 20% 的提升幅度，將加速用戶的整體性能和可用性。

產(chǎn)品發(fā)布時，鎧俠首席技術(shù)官 Masaki Momodomi 表示，很高興通過與西部數(shù)據(jù)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，目前已開始向部分客戶提供樣品，未來將用于一系列以數(shù)據(jù)為中心的應(yīng)用，包括智能手機、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和數(shù)據(jù)中心。

鎧俠選用的是 BiCS 架構(gòu)，這是鎧俠在 2007 年提出的概念。此外，西數(shù)、鎧俠還開發(fā)了新的 CBA 技術(shù)，也就是將 CMOS 直接鍵合在陣列之上，每個 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(xiàn)已量產(chǎn)

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

美光 232 層 QLC NAND 可為移動設(shè)備、客戶端設(shè)備、邊緣和數(shù)據(jù)中心存儲設(shè)備帶來無與倫比的性能，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(dá) 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

增加 3D NAND 器件中的有源層數(shù)量是當(dāng)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(jié)點來實現(xiàn)這一目標(biāo)。

雖然當(dāng)下的競爭主要聚焦在 200 層左右，但是 200 層遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是終點，近兩年已經(jīng)有巨頭開始瞄準(zhǔn) 1000 層堆疊的 3D NAND。

在 2023 年的 IEDM 會議上，三星電子預(yù)測在不久的將來，堆疊字線的數(shù)量將超過 1,000 層，他們也正在進行技術(shù)開發(fā)，目標(biāo)是實現(xiàn) 1,000 層。

三星表示 3D NAND 閃存層的速度正在呈指數(shù)級增長。最初，大約需要五代才能達(dá)到 100 層。對于三星來說，第 5 代（V5）有 92 層，第 6 代（V6）有 128 層。然而，從第六代（V6）的 128 層開始，只過了兩代就增加了 100 層。比如：第 8 代（V8）最多有 236 個字線層。這意味著第 8 代在第 6 代之上堆疊了 108 層。

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

此外，其他存儲廠商也正在持續(xù)發(fā)力更高層數(shù) NAND Flash，美光 232 層之后，計劃推出 2YY、3XX 與 4XX 等更高層數(shù)產(chǎn)品；鎧俠與西數(shù)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(yīng)用物理學(xué)會春季會議上也表示，計劃到 2031 年開始批量生產(chǎn)超過 1000 層的 3D NAND 閃存芯片。

需要注意的是，1000 層 NAND 可沒有那么好做。

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

具體來看，在 2D NAND 的發(fā)展進程中，光刻技術(shù)是推動其發(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現(xiàn)容量的增長。

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，實際沉積層數(shù)已經(jīng)達(dá)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(shù)。

除此之外，3D NAND 工藝流程中最困難的部分當(dāng)屬高縱深比要求的蝕刻工藝。在 3D NAND 結(jié)構(gòu)中，必須通過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。

Lam Research 表示，對于 96 層 3D NAND 晶圓來講，蝕刻的縱深比高達(dá) 70：1，而且每塊晶圓中都要有一萬億個這樣細(xì)小的孔道，這些孔道必須互相平行規(guī)整。隨著堆疊層數(shù)的增加，蝕刻工藝的難度也會逐漸增大。

這也意味著倘若未來堆疊的層數(shù)超過 1000 層，芯片廠商或?qū)⑿枰媾R越來越復(fù)雜、昂貴的工藝。到時候，存儲產(chǎn)業(yè)需要找到新的解決方法不斷滿足人們?nèi)找嬖鲩L的存儲需求，當(dāng)然，這也可能是一種全新的存儲介質(zhì)，各大原廠同樣深知這一點，目前也在積極投入研發(fā)當(dāng)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，還需時間給出答案。

更高層數(shù)的 NAND 帶來了什么?

NAND 芯片的堆疊層數(shù)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)點對于小型化、高性能的移動設(shè)備和固態(tài)硬盤（SSD）等產(chǎn)品尤為重要。

對于 NAND 行業(yè)而言，NAND 閃存類存儲本身處在 AI 生態(tài)鏈中，任何數(shù)據(jù)如果沒有 SSD 便無法運轉(zhuǎn)起來，因此大模型興起客觀上就會引發(fā)對 NAND 需求。

隨著堆疊層數(shù)的提高，毫無疑問將實現(xiàn)容量的提高以及單位成本的降低，隨之 SSD 的價格也有所下探。

當(dāng)下時刻，NAND 閃存光景大好

自 2023 年第四季度以來，存儲行業(yè)環(huán)境改善明顯，下游市場需求復(fù)蘇，存儲產(chǎn)品的銷量也實現(xiàn)同比大幅增長。

根據(jù) TrendForce 集邦咨詢最新研究報告表明，受惠于 AI 服務(wù)器自二月起擴大采用 Enterprise SSD 影響，大容量 SSD 訂單開始涌現(xiàn)，結(jié)合 PC、智能手機客戶因價格上漲持續(xù)提高庫存儲備，帶動 2024 年第一季 NAND Flash 量價齊揚，營收季增 28.1%，達(dá) 147.1 億美元。

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

三星受惠于消費級買家持續(xù)提高庫存水位，以及 Enterprise SSD 訂單開始復(fù)蘇，第一季營收季增 28.6%，達(dá) 54 億美元，穩(wěn)居市場首位。第二季受惠于 Enterprise SSD 出貨動能擴大，盡管消費級產(chǎn)品訂單動能轉(zhuǎn)趨保守，但因 NAND Flash 合約價持續(xù)上漲，三星第二季營收有機會再成長逾兩成。

SK 集團受惠于智能手機、服務(wù)器訂單動能強勁，帶動第一季營收季增 31.9%，達(dá) 32.7 億美元。由于 Solidigm 擁有獨特的 Floating Gate QLC 技術(shù)，大容量 Enterprise SSD 訂單動能續(xù)強，第二季 SK 集團出貨位元成長幅度可望優(yōu)于其他供應(yīng)商，營收預(yù)估續(xù)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 均價上漲，帶動第一季營收季增 26.3%，達(dá) 18.2 億美元。第二季在供應(yīng)位元逐步上升，加上提供客戶更彈性的議價空間下，進一步擴大 Enterprise SSD 出貨量，第二季營收預(yù)期將再成長約兩成。

西部數(shù)據(jù)由于零售市場需求自今年二月起明顯萎縮，影響出貨位元表現(xiàn)，但同樣受惠于 NAND Flash 合約價上漲，帶動西部數(shù)據(jù)第一季營收季增 2.4%，達(dá) 17.1 億美元。值得注意的是，第二季受限于整體消費性市場仍未回溫，加上 PC 及智能手機全年展望保守，故西部數(shù)據(jù)欲加速 Enterprise SSD 產(chǎn)品開發(fā)，以擴大未來成長動能。然而，企業(yè)級產(chǎn)品驗證時程較長，對帶動短期出貨動能成長有限，預(yù)期西部數(shù)據(jù)第二季營收可能持平。

觀察第二季趨勢，PC 及智能手機客戶的 NAND Flash 庫存水位已高，加上今年消費終端訂單成長仍未優(yōu)于預(yù)期，品牌廠買家備貨轉(zhuǎn)趨保守。與此同時，受惠于大容量 Enterprise SSD 訂單翻倍，帶動第二季 NAND Flash 產(chǎn)品均價續(xù)漲 15%，預(yù)估第二季 NAND Flash 營收有機會再季增近一成。