NAND市场，激战打响

2024-06-07 18:28

半导体产业纵横

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?随着人工智能（AI）相关半导体对高带宽存储（HBM）需求的推动，NAND闪存市场也感受到了这一趋势的影响。

目前，NAND闪存市场的竞争正在加剧，存储巨头三星和SK海力士正加紧努力，以提升NAND产品的性能和容量。

两大巨头轮番出手

三星投产第九代V-NAND闪存

今年4月，三星宣布其第九代V-NAND 1Tb TLC产品开始量产，这将有助于巩固其在NAND闪存市场的卓越地位。

那么V-NAND闪存是什么呢？

众所周知，平面NAND闪存不仅有SLC、MLC和TLC类型之分，而且为进一步提高容量、降低成本，NAND的制程工艺不断进步。虽然更先进的制程工艺带来了更大的容量，但容量提升、成本降低的同时可靠性及性能都在下降。比如：制程工艺不断革新的同时，NAND cell单元之间的干扰现象越来越严重。

三星的V-NAND便不再追求缩小cell单元，而是通过3D堆叠技术封装更多cell单元，实现增加容量的目的。

2013年，三星发布全球首款V-NAND闪存并量产，标志着3D NAND闪存从技术概念向商业市场的转变。而如今，这一技术已经迭代到第九代。

与第八代V-NAND相比，第九代V-NAND的单位面积存储密度提高了约50%，这得益于行业内最小的单元尺寸和最薄的模具层。为了提升产品质量和可靠性，三星采用了新的创新技术，诸如避免单元干扰和延长单元寿命，同时取消备用通道孔则大幅减少了存储单元的平面面积。

第九代V-NAND采用了新一代Toggle 5.1闪存接口，让数据传速速度提升33%，高达3.2Gbps。新的接口可为最新的PCIe 5.0 SSD提供足够的性能带宽保障。与上一代产品相比，第九代V-NAND在低功耗设计方面也有改进，其功耗降低了10%，可使SSD变得更为节能。

目前三星已启动1Tb TLC第九代V-NAND的大规模生产，随后将于今年下半年推出QLC的型号。

SK海力士开发新一代移动端NAND闪存解决方案“ZUFS 4.0”

今年5月，SK海力士宣布，公司开发出用于端侧（On-Device）AI的移动端NAND闪存解决方案产品ZUFS（Zoned UFS）4.0’。

SK海力士表示：“ZUFS 4.0为新一代移动端NAND闪存解决方案产品，其产品实现业界最高性能并专为端侧AI手机进行优化。”

ZUFS按数据的各自特性来区分管理智能手机应用程序生成的数据。与现有UFS不分区域而混合存储的方式不同，ZUFS可以对不同用途和使用频率的数据进行分区（Zone）存储，提高手机操作系统的运行速度和存储设备的数据管理效率。

由此ZUFS将在长期使用环境下，手机应用程序的运行时间与现有UFS相比改善了约45%。而且，ZUFS在存储读写性能下降方面实现了4倍以上改善效果，从而产品的使用寿命也提升了约40%。

SK海力士给客户提供初期试用产品，而基于此产品规格与客户协作开发出符合JEDEC标准的4.0产品。公司将于今年第三季度开始ZUFS 4.0产品的量产。

其实，自NAND闪存进入3D时代以来，芯片层数一直是各大NAND闪存芯片厂商竞争的焦点，堆栈层数越来越高。在3D NAND技术的竞争中，存储厂商从最初的24层、32层发展到128层、176 层，甚至超过200层。在此背景下，各存储厂商有着不同的押注，一起看看各家的发展路线如何。

只是卷到200层？各家技术路线为何？

根据TomsHardware此前报道，三星正在准备发布的第9代V-NAND技术产品，达到了280层，相比第8代V-NAND技术的236层有了进一步的提高。三星的技术路线便是选择V-NAND架构。

SK海力士321层NAND计划2025年上半年开始量产

SK海力士在去年8月美国圣克拉拉举行的2023闪存峰会上，首次展示了全球首款321层NAND闪存。

SK海力士的技术路线便是选择4D堆叠。值得注意的是，SK 海力士在 2018 年研发的 96 层 NAND 闪存就超越了传统的 3D 方式，并导入了 4D 方式。

传统的 3D NAND 架构由堆叠的 NAND 阵列和外围电路组成。在大多数设计中，外围电路放置在 3D NAND 阵列旁边，这种布局占用了裸片区域，并最终限制了可用于内存本身的区域数量。SK 海力士将过去放置在存储单元旁侧的外围电路转移至存储单元下方，减少了芯片占用空间。并将其称之为4D NAND。

相比 3D 方式，4D 架构具有单元面积更小，生产效率更高的优点。

321层1Tb TLC NAND的效率比上一代238层512Gb提高了59%。这是由于数据存储的单元可以以更多的单片数量堆栈至更高，在相同芯片上实现更大存储容量，进而增加了单位晶圆上芯片的产出数量。

SK海力士相关负责人表示，“以正在量产的最高级238层NAND积累的技术经验为基础，公司正在有序进行321层NAND的研发。”值得注意的是，早在2022年，SK海力士就已成功研发238层4D NAND闪存。

作为业界首家公布300层以上NAND具体开发进展的公司，SK海力士宣布，将进一步完善321层NAND闪存，并计划于2025年上半年开始量产。

铠侠和西部数据宣布推出 218 层 3D NAND 闪存

去年3月，铠侠和西部数据宣布推出 218 层 3D NAND 闪存。该闪存利用了1Tb三层单元（TLC）和四层单元（QLC）的四个平面，通过创新的横向收缩技术，将位密度提高了50%以上。其NAND I/O接口速度超过了3.2Gb/s，比上一代产品提高了60%，再加上写入性能和读取延迟有着20%的提升幅度，将加速用户的整体性能和可用性。

产品发布时，铠侠首席技术官Masaki Momodomi表示，很高兴通过与西部数据独特的工程合作，成功地推出了具有业界最高位密度的第八代BiCS FLASH，目前已开始向部分客户提供样品，未来将用于一系列以数据为中心的应用，包括智能手机、物联网设备和数据中心。

铠侠选用的是BiCS架构，这是铠侠在2007年提出的概念。此外，西数、铠侠还开发了新的CBA技术，也就是将CMOS直接键合在阵列之上，每个CMOS晶圆、单元阵列晶圆都使用最适合的技术工艺独立制造，再键合到一起，从而大大提升存储密度、I/O速度。

美光宣布232 层 QLC NAND 现已量产

今年4月，美光宣布其 232 层 QLC NAND 现已量产，并在部分 Crucial 英睿达固态硬盘（SSD）中出货。与此同时，美光 2500 NVMe SSD也已面向企业级存储客户量产，并向 PC OEM 厂商出样。

美光 232 层 QLC NAND 可为移动设备、客户端设备、边缘和数据中心存储设备带来无与伦比的性能，其主要优势包括：业界领先的存储密度，比竞争对手最新产品的存储密度提升高达28%；业界领先的 2400 MT/s1 NAND 输入/输出（I/O）速度，比上一代产品提升 50%；读取性能比上一代产品提升 24%；编程性能比上一代产品提升 31%。

1000层都未必是终点

增加 3D NAND 器件中的有源层数量是当今提高闪存记录密度的最佳方法，因此所有 3D NAND 制造商都努力每 1.5 到 2 年就推出新的工艺节点来实现这一目标。

虽然当下的竞争主要聚焦在200层左右，但是200层远远不是终点，近两年已经有巨头开始瞄准1000层堆叠的3D NAND。

在2023年的IEDM会议上，三星电子预测在不久的将来，堆叠字线的数量将超过1,000层，他们也正在进行技术开发，目标是实现1,000层。

三星表示3D NAND 闪存层的速度正在呈指数级增长。最初，大约需要五代才能达到 100 层。对于三星来说，第5代（V5）有92层，第6代（V6）有128层。然而，从第六代（V6）的128层开始，只过了两代就增加了100层。比如：第8代（V8）最多有236个字线层。这意味着第8代在第6代之上堆叠了 108 层。

如果按照这个速度下去，第9代（V9）将达到300层以上，第10代（V10）将达到430层，第11代（V11）将达到580层。如今，三星正在为V13一代的堆叠字线数量超过1000层作出积极努力。

此外，其他存储厂商也正在持续发力更高层数NAND Flash，美光232层之后，计划推出2YY、3XX与4XX等更高层数产品；铠侠与西数也在积极探索300层以上、400层以上与500层以上的3D NAND技术。

近日，铠侠首席技术官Hidefumi Miyajima在东京城市大学举行的第71届应用物理学会春季会议上也表示，计划到2031年开始批量生产超过1000层的3D NAND闪存芯片。

需要注意的是，1000层NAND可没有那么好做。

从理论上讲，堆叠1000层以上的NAND是可行的，但需要解决堆栈过程中的沉积和蚀刻问题。

具体来看，在2D NAND的发展进程中，光刻技术是推动其发展的关键工艺，3D NAND则完全不同，存储单元以垂直堆叠的方式实现容量的增长。

Lam Research电介质首席技术官Bart van Schravendijk表示，3D NAND堆叠到96层时，实际沉积层数已经达到了192层以上，其中，氮化硅层的均匀性将成为影响器件性能的关键参数。

除此之外，3D NAND工艺流程中最困难的部分当属高纵深比要求的蚀刻工艺。在3D NAND结构中，必须通过蚀刻工艺从器件的顶层到底层蚀刻出微小的圆形孔道，将存储单元能够垂直联通起来。

Lam Research表示，对于96层3D NAND晶圆来讲，蚀刻的纵深比高达70：1，而且每块晶圆中都要有一万亿个这样细小的孔道，这些孔道必须互相平行规整。随着堆叠层数的增加，蚀刻工艺的难度也会逐渐增大。

这也意味着倘若未来堆叠的层数超过1000层，芯片厂商或将需要面临越来越复杂、昂贵的工艺。到时候，存储产业需要找到新的解决方法不断满足人们日益增长的存储需求，当然，这也可能是一种全新的存储介质，各大原厂同样深知这一点，目前也在积极投入研发当中，例如：FeRAM，MRAM，PCM，RRAM等，然而，哪种器件能够突出重围，成为下一代非易失性存储器件，还需时间给出答案。

更高层数的NAND带来了什么?

NAND芯片的堆叠层数越多，其主要性能上的好处包括增加了存储密度、改善了读写速度、提升了输入输出效率、降低了功耗、缩小了物理空间占用。这一系列的优点对于小型化、高性能的移动设备和固态硬盘（SSD）等产品尤为重要。

对于NAND行业而言，NAND闪存类存储本身处在AI生态链中，任何数据如果没有SSD便无法运转起来，因此大模型兴起客观上就会引发对NAND需求。

随着堆叠层数的提高，毫无疑问将实现容量的提高以及单位成本的降低，随之SSD的价格也有所下探。

当下时刻，NAND闪存光景大好

自2023 年第四季度以来，存储行业环境改善明显，下游市场需求复苏，存储产品的销量也实现同比大幅增长。

根据TrendForce集邦咨询最新研究报告表明，受惠于AI服务器自二月起扩大采用Enterprise SSD影响，大容量SSD订单开始涌现，结合PC、智能手机客户因价格上涨持续提高库存储备，带动2024年第一季NAND Flash量价齐扬，营收季增28.1%，达147.1亿美元。

本季排名变动最大在于美光超越西部数据，位居第四名。主要是美光于2023年第四季价格及出货量略低于其他竞争对手，故第一季营收成长幅度以51.2%居冠，达17.2亿美元。

三星受惠于消费级买家持续提高库存水位，以及Enterprise SSD订单开始复苏，第一季营收季增28.6%，达54亿美元，稳居市场首位。第二季受惠于Enterprise SSD出货动能扩大，尽管消费级产品订单动能转趋保守，但因NAND Flash合约价持续上涨，三星第二季营收有机会再成长逾两成。

SK集团受惠于智能手机、服务器订单动能强劲，带动第一季营收季增31.9%，达32.7亿美元。由于Solidigm拥有独特的Floating Gate QLC技术，大容量Enterprise SSD订单动能续强，第二季SK集团出货位元成长幅度可望优于其他供应商，营收预估续增两成。

铠侠由于第一季产出仍受去年第四季减产策略影响，出货位元仅季增7%，但受惠于NAND Flash均价上涨，带动第一季营收季增26.3%，达18.2亿美元。第二季在供应位元逐步上升，加上提供客户更弹性的议价空间下，进一步扩大Enterprise SSD出货量，第二季营收预期将再成长约两成。

西部数据由于零售市场需求自今年二月起明显萎缩，影响出货位元表现，但同样受惠于NAND Flash合约价上涨，带动西部数据第一季营收季增2.4%，达17.1亿美元。值得注意的是，第二季受限于整体消费性市场仍未回温，加上PC及智能手机全年展望保守，故西部数据欲加速Enterprise SSD产品开发，以扩大未来成长动能。然而，企业级产品验证时程较长，对带动短期出货动能成长有限，预期西部数据第二季营收可能持平。

观察第二季趋势，PC及智能手机客户的NAND Flash库存水位已高，加上今年消费终端订单成长仍未优于预期，品牌厂买家备货转趋保守。与此同时，受惠于大容量Enterprise SSD订单翻倍，带动第二季NAND Flash产品均价续涨15%，预估第二季NAND Flash营收有机会再季增近一成。

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