NANDFlash市场跑出新黑马三星意外掉队

　　来源：内容来自半导体行业观察（ID：icbank）编译自semianalysis，谢谢。
　　NAND是一个竞争激烈、不断进步的市场。制造和出货的NAND位数以每年30到35的速度增长，每2到3年翻一番。最初的看法是，这需要大量资金专门用于新设备，但NAND行业从2017年到2022年每年仅在晶圆制造设备上花费了150亿到200亿美元，尽管呈指数级增长，但生产NAND的成本迅速下降。
　　几十年前，类似的成本缩放改进在DRAM和逻辑等其他半导体技术中很常见，但这些子行业会认为这种改进速度在后摩尔定律宇宙中是不可持续的。生产力的提高主要是由LamResearch蚀刻和沉积工具的改进以及制造商开发的工艺节点推动的。
　　从历史上看，当半导体行业进行如此快速的创新时，许多公司在技术上被抛在了尘埃中。行业整合出现。只出现了几个强者。3DNAND今天也处于类似的位置，该行业的未来经济状况也在不断变化。英特尔卖掉了他们的NAND业务，铠侠和西部数据出现了很大的动荡。
　　在本报告中，我们希望对三星、SK海力士、美光、Solidigm、长江存储、西部数据和铠侠的工艺技术进行状态检查。快速总结是，美光、SK海力士和YMTC领先于其他公司。与此同时，三星在几年前还是NAND技术的绝对领导者，却奇怪地落后了。而来自中国的长江存储现在出货密度最高的3DNAND。
　　SemiAnalysis和Angstronomics编制了下表。它有许多细微差别，将在下文中解释。
　　长江存储
　　YMTC对他们的新一代NAND非常低调，该系列新产品搭载了公司新一代的Xtacking3。0技术。在官方新闻稿中，他们没说明新产品的层数。官方的路线并没有将Xtacking3。0作为业界最密集的1TbTLCNAND进行推广。
　　但在SemiAnalysis看来，Xtacking3。0是密度最大的商用1TbTLCNAND，15。2Gbitmm2；在层数上，据分析，长存产品的层数超过230层；我们相信232层；在性能上，该产品可与美光的232层NAND媲美，采用类似的6平面架构，数据速率为2。4Gbps。最后，它已经送样给合作伙伴。
　　我们通过在Angstronomics的虚拟帮助下测量物理模具来确定这些事实。可以访问物理模具也使我们能够确认它是6平面。我们在第3方台湾公司的展位上发现了他们采用SSD封装的新NAND。他们很高兴告诉我们其他一些细节，包括发货时间。
　　据报道，长江存储在新产品上还用上了很多新技术，例如阵列上的混合键合CMOS、中心驱动器XDEC，以及从前端深沟工艺到后端源连接（BSSC）的过渡。YMTC还计划为内存处理实现进一步的逻辑，包括采用堆叠CMOS技术的神经形态类型计算。
　　长江存储不是模仿者。他们正在构建自己的创新和独特的产品，他们在NAND领域凭借本土创新领先于其他玩家。
　　YMTC在收益率方面仍然落后，但他们一直在迅速提高。几年后，我们毫不怀疑长江存储将在成本上与业内最好的公司竞争。它们将从结构上改变NAND行业。在技术或巨额补贴方面不具备持久优势的公司将面临关于其未来业务生存能力的灾难。长江存储二厂设备已接近满载，三厂正在建设中。据称，长江存储还有更远大的规划。
　　铠侠和西部数据
　　铠侠和西部数据在3DNAND的制造和技术开发方面进行了合作，因此它们被组合在一起。他们估计，Zettabyte的NAND将在2022年出货。他们的闪存峰会演讲涵盖了3DNAND缩放的一些权衡。缩放有4个主要向量，垂直缩放、横向缩放、架构缩放和逻辑缩放。
　　上面是一张关于SLC、MLC、TLC、QLC和PLC缩放的有趣幻灯片。随着越来越多的位存储在一个单元中，读取延迟会增加，并且程序擦除周期的耐久性会降低。铠侠和西部数据正在探索使用每个单元4。5位或每个NAND单元3。5位来增加密度和降低成本，同时不牺牲尽可能多的延迟和耐用性。
　　在3DNAND中，工程选择通常取决于性能、成本和耐用性。对于同等容量的SSD而言，更大的容量更具成本效益，但性能较差。较大的单元尺寸性能更好，但由于难以扩展到更高的层数，因此制造成本更高。
　　PCIe多年来一直停留在3。0上，但近年来代际改进加速。这导致了许多创新，以使可用带宽完全饱和。铠侠和西部数据表示，他们的NAND接口带宽每一代都增加了30。此外，他们引入了异步独立平面读取，这使得每个平面中的读取可以更有效地打包（大多数竞争对手引入了这一点或将在他们的一代中这样做）。由于这些创新，随机读取性能显着提高。
　　西部数据和铠侠的路线图包括扩展层以及非层数相关技术。晶圆键合被列为下一个被采用作为提高单元阵列效率的技术。这是长江存储第三次迭代的Xtacking3。0的技术。PLCNAND也在考虑之中。WesternDigital告诉我们，他们甚至在实验室中试验了高达7位单元（128个电压等级）。它存在于他们的实验室中，但需要由液氮维持的极低温度。
　　铠侠和西部数据是仅有的在其路线图中使用PLC电荷陷阱存储器的公司。CMOS缩放和单元间距缩放也在路线图上。他们讨论的最后一项技术是多堆叠。CMOS阵列和多个NAND阵列都将采用顺序混合键合方法进行堆叠。理论上，这项技术的成本改进很小，但密度增益将是巨大的。
　　铠侠和西部数据还开发了第二代存储级内存，他们将其作为XLFlash2销售。由于成本较高，它是否会增加产量还有待观察，但由于使用16平面和MLCNAND，它的速度要快得多。这仅适用于延迟较低的CXL总线上的大规模部署，但DRAM池共享通常更适合这些工作负载。
　　三星
　　长期以来，三星在NAND市场占有率最高。正如《非易失性存储，辉煌70年！》所示，它们在历史上引领了许多技术转型。这种技术领先存在于他们的128层技术，这是世界上容量最大的NAND工艺节点。
　　3DNAND中最关键的工艺步骤是通过多层NAND的高纵横比蚀刻和随后的沉积步骤。虽然业内几乎每个人都在这些关键步骤中使用LamResearch的工具，但三星是唯一一家同时蚀刻超过120层的公司。其他公司在其100层以上的NAND架构上使用多个decks，但三星128层仅使用1层。例如，Solidigm在其144层NAND上使用3层decks。每个deck额外增加成本。
　　尽管在128层方面处于领先地位，但三星多年来一直没有推出新的NAND工艺技术。他们的176层和200层NAND工艺技术尚未被逆向工程公司或拆解在任何SSD中发现。尽管他们声称会在2021年出货176层消费级SSD，但迄今没有看到。虽然官方原因尚未披露，但据报道很可能源于文化问题引发的工艺问题。
　　三星仍然表示，第7代VNAND，176层512GbTLC，2Gbps，是2021年的技术。他们还注意到176层1TbQLC即将推出。第8代VNAND超过200层。三星表示，它将是2。4Gbps的1TbTLC裸片，将于2022年发货。第8代将同时进行横向收缩、更多层和外围收缩。三星还在2023年推出了第9代VNAND。鉴于第7代VNAND的表现，我们对他们的说法持怀疑态度。
　　三星处于不稳定的境地，曾经落后的公司现在正在竞相领先，并开始实现更好的成本结构。层数并不是NAND扩展的全部，许多其他因素都会影响最终的每比特成本。根据我们的成本模型，三星仍然拥有第二最具成本效益的NAND工艺技术，因为它具有高资本效率和良率以及长期存在的128层工艺节点。我们的理论是三星避免增加其176层NAND，因为由于转向2层架构，它的成本效益低于128层。
　　如果三星继续推迟其新的工艺节点，他们就有可能进一步落后。顺便说一句，我们在闪存峰会上与来自竞争公司的许多工艺工程师进行了交谈，他们对三星在NAND工艺节点转换方面发生的事情感到非常困惑。
　　SK海力士和Solidigm
　　SK海力士在相对定位上一直在提升。他们在第四季度开始大规模生产176层1TbQLC，从而迅速提升了176层TLC。我们的成本模型将SK海力士列为第三最具成本效益的NAND工艺技术，他们甚至可能很快与三星交换位置。
　　SK海力士238层明年上半年开始量产，512GbTLC裸片。SK海力士表示，新的NAND技术将在每个晶圆上多生产34的比特，提高50的IO速度，提高10的程序性能，以及提高21的读取功率效率。这个NAND速度快到2。4Gbps。美光和YMTC仅计划在其232层数技术中使用1Tb裸片，但SK海力士可以使用更小的512Gb裸片实现相同的速度，并且仅使用4平面而不是6平面。
　　SK海力士提出的未来路线图非常有趣。SK海力士表示，他们计划在238层一代之后继续使用ArrayNAND下的CMOS再发展3代。特别是，接下来的xxx层NAND工艺将有更显着的层数增加和更快的过渡。
　　SK海力士因其长期的创新而有一个可怕的营销名称4D2。这些涉及共享位线和更多行。他们讨论了使用串联的2个单元来存储超过6位的数据，而不是独立的单元和存储8个电压电平用于每个单元3位的数据。所有这些技术的重点似乎是每层封装更多位。
　　转向Solidigm（以前是英特尔的NAND业务），NAND架构有所不同。Solidigm使用浮栅架构，而SKHynix使用电荷陷阱。SK海力士计划将其内部电荷陷阱用于性能和主流，而Solidigm将用于价值和HDD更换领域。SK海力士与英特尔之间的部分交易条款涉及工艺技术人员在几年内从英特尔转移，而不是立即转移。Solidigm大连中国工厂将在英特尔开发的工艺技术上运行至少几年。
　　下一代Solidigm浮栅节点为192层。我们相信这是一个4层设计，每层deck有48层。对于TLC架构，该过程的成本效益将备受争议。通过在每个单元中使用更多位可以缓解这种成本劣势，这是浮动栅极架构相对于电荷陷阱架构的优势。虽然大多数电荷陷阱体积是TLC（每个单元3位），但Solidigm节点专注于QLC的体积。
　　192层QLC将配备1。33Tb芯片容量。由于必须准确地保持16个电压电平以每个单元存储4位，QLC一直受到性能不佳的困扰，但新节点声称可以解决其中的许多问题。第4代QLC有一些非常出色的声明，即程序写入时间提高2。5倍，随机读取提高5倍，在第99个百分位时读取延迟提高1。5倍。这些改进将使Solidigm192层QLC性能更接近电荷陷阱TLC。
　　更令人兴奋的变化是，192层工艺将成为第一批具有1。67Tb裸片容量的PLCNAND。使用PLC，单元必须能够准确地保持32个电压电平，以便每个单元存储5位。这将每个晶圆制造的位数提高了25，但牺牲了性能。鉴于SK海力士将PLCNAND作为HDD替代技术，性能受到的影响可能很大。作为一个有趣的噱头，Solidigm的团队在使用192层PLCNAND的外部SSD上运行演示文稿。
　　美光
　　美光一直是NAND行业的一颗冉冉升起的新型。几年前，他们在IMFT合资企业中与英特尔结下了不解之缘。他们使用了浮动栅极架构，与电荷陷阱相比，它的每比特成本或性能较差。他们在DRAM工艺技术方面也落后于三星几年。
　　美光做出了一些根本性的改变，现在他们是内存行业的领导者。SanjayMehrotra是SanDisk的联合创始人兼首席执行官，该公司以190亿美元的价格卖给了WesternDigital。不久之后，他被任命为美光的首席执行官。英特尔合资公司（IMFT）解散，NAND架构从浮栅过渡到电荷陷阱，3DXPoint内存开发也停止了。
　　修复了美光的一些潜在工艺和培养问题。美光从3DNAND中最差的成本结构变成了3DNAND中最好的成本结构。同样，它们从密度最低、成本最高的工厂到每比特DRAM的晶圆厂，再到成本结构第二好的出货密度最高的DRAM。
　　美光的大部分产能是176层，他们正在加速和出货232层NAND。美光的策略是保持晶圆开工率基本相同，并专注于更好的工艺技术以增加位出货量。这使他们能够降低资本支出，但仍保持市场份额。由于芯片饭，该策略可能会改变，因为在美国可能会发生总计400亿美元的制造投资。
　　美光的6平面2。4Gbps1TbTLC232层NAND出现在多个SSD和控制器公司的展位上。这些第3方公司告诉我，他们预计增长速度会很快，232层将成为美光明年产量的主要部分。
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