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日前，美光發(fā)布第二季度財報，其在電話會議中美光透露，即將開始批量生產(chǎn)其基于公司新的RG（replacement gate）架構(gòu)的第四代3D NAND存儲設(shè)備。至此，美光，東芝，SK海力士和三星都已正式挺進128層，甚至更高層級，存儲大廠們已經(jīng)為3D NAND的堆疊層數(shù)而瘋狂。
市場需求無疑是最大的驅(qū)動力，隨著5G及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)正呈現(xiàn)出爆炸式的增長，由此對于存儲的需求也越來越大。 
此前的閃存多屬于平面閃存 (Planar NAND)，我們一般稱之為“2D NAND”。巨大需求推動下的2D NAND 工藝不斷發(fā)展，向1znm（12-15nm）逼近， 平面微縮工藝的難度越來越大，接近物理極限，但盡管如此，存儲密度也很難突破128GB容量。并且?guī)淼某杀緝?yōu)勢開始減弱，有資料指出，16nm制程后，繼續(xù)采用2D 微縮工藝的難度和成本已超過3D技術(shù)，因此各存儲大廠都在積極推出3D NAND。
來源：互聯(lián)網(wǎng)
3D NAND，簡單來說，就是通過die堆疊技術(shù)，加大單位面積內(nèi)晶體管數(shù)量的增長。有資料稱，3D NAND比2D NAND具有更高的存儲容量，若采用48層TLC 堆疊技術(shù)，存儲密度可提升至256GB，輕松突破了平面2D NAND 128GB 的存儲密度極限值。
同時還具有更高的可靠性，NAND閃存一直有著電荷之間電場干擾問題,導(dǎo)致需要flash control芯片透過復(fù)雜的算法來防止和糾正這么干擾帶來的錯誤,最后拖累了資料的傳輸速度。
透過3D堆疊技術(shù)，單位儲存空間變大，電荷間的電場干擾降低，大幅提升了產(chǎn)品的可靠性，也因資料錯誤降低，不僅提升了資料的傳輸速率，更因簡化了糾錯算法，進而降低了功耗，一舉數(shù)得。進一步凸顯了成本效益。
來源：三星
在主要的NAND廠商中，三星于2013年8月就已經(jīng)宣布進入3D NAND量產(chǎn)階段，2014 年第 1 季正式于西安工廠投產(chǎn)。其他幾家公司在3D NAND閃存量產(chǎn)上要落后三星至少2年時間。
東芝、美光、SK海力士2015年正式推出3D NAND閃存。Intel 2016年4月初才發(fā)布了首款3D NAND閃存的SSD，不過主要是面向企業(yè)級市場的。在這些存儲大廠的推動下，NAND Flash正在快速由2D NAND向3D NAND普及。
來源：中國閃存市場
2019年Q3度全球NAND閃存市場明顯復(fù)蘇，三星、鎧俠(原東芝存儲)、美光等主要存儲廠商的出貨量均有較大幅度增長。據(jù)DRAMeXchange數(shù)據(jù)顯示，2019年Q4季度全球NAND閃存市場營收125.46億美元，環(huán)比增長8.5%，位元出貨量增長10%左右，合約價也由跌轉(zhuǎn)漲。
技術(shù)升級一向是存儲芯片公司間競爭的主要策略。隨著存儲市場由弱轉(zhuǎn)強，處于新舊轉(zhuǎn)換的節(jié)點，各大廠商紛紛加大新技術(shù)工藝的推進力度，加快從64層3D NAND向96層3D NAND過渡，同時推進下一代128層3D NAND技術(shù)發(fā)展進程，以期在新一輪市場競爭中占據(jù)有利位置。
如前文所言，3D NAND主要依靠die堆疊，采用這種方式可以使得每顆芯片的儲存容量可以顯著增加，而不必增加芯片面積或者縮小單元，使用3D NAND可以實現(xiàn)更大的結(jié)構(gòu)和單元間隙，這有利于增加產(chǎn)品的耐用性。因此想要增加存儲空間就需要不斷的增加堆疊層數(shù)，這也就是為什么先進存儲廠商一直想要追求更多堆疊層數(shù)的原因。
在發(fā)展3D NAND的過程中，這些廠商通常采用兩種不同的存儲技術(shù)：電荷擷取技術(shù)(CTF, Charge Trap Flash)和浮柵(FG, Floating Gate)技術(shù)。
CSDN博主“古貓先生”指出，這兩種技術(shù)沒有好壞之分，應(yīng)該是各有千秋。
CTF電荷擷取技術(shù)實現(xiàn)原理和過程更加簡單，有利于加快產(chǎn)品進程。此外，電荷存儲在絕緣層比存儲在導(dǎo)體浮柵中更加的可靠。
FG浮柵技術(shù)從2D NAND開始已經(jīng)很成熟。另外，采用FG浮柵技術(shù)的3D NAND的存儲單元相互獨立，而采用CTF電荷擷取技術(shù)的3D NAND的存儲單元是連接在一起的。這樣的話，F(xiàn)G浮柵技術(shù)的存儲過程更具操作性。
三星就是主推CTF電荷擷取技術(shù)的廠商 ，其3D NAND的發(fā)展軌跡是48層-64層-96層-128層+。從2013年開始量產(chǎn)第一代3D V-NAND，到2018年，開始批量生產(chǎn)第五代V-NAND 3D堆疊閃存，9x層的堆疊設(shè)計；一直引領(lǐng)著存儲行業(yè)在閃存容量和性能方面的持續(xù)性創(chuàng)新。
三星在2019 年 6 月就推出了第六代 V-NAND（128 層 256Gb 3D TLC NAND），8 月份宣布基于該技術(shù)已批量生產(chǎn) 250GB SATA SSD，而在 11 月實現(xiàn)了第六代 128 層 512Gb TLC 3D NAND的量產(chǎn)。
據(jù)三星官方消息顯示，新款 V-NAND 運用三星電子有的“通道孔蝕刻”技術(shù)，向前代 9x 層單堆疊架構(gòu)增加了約 40% 單元。這是通過構(gòu)建由 136 層組成的導(dǎo)電模具堆棧，然后垂直自上而下穿過圓柱孔，形成統(tǒng)一的 3D 電荷擷取閃存 (CTF) 單元實現(xiàn)的。
SK海力士也采用CTF電荷擷取技術(shù)，在由2D轉(zhuǎn)進3D NAND世代的競爭中，SK海力士似乎一直處在掉隊狀態(tài)，落后過去 2D 平面式 NAND Flash 時代。因此，SK 海力士在全球 NAND Flash 排名中，已經(jīng)被甩到五名之外。這對于在 2D 時代實力很強的 SK 海力士，屬實有點讓人意外。
2019年，在美國閃存峰會上，SK海力士公布3D NAND技術(shù)路線圖，此技術(shù)路線圖展示，在2030年3D NAND將達到800多層的堆疊高度。SK海力士將該技術(shù)稱為第6版4D NAND，但其他制造商都將其稱為3D NAND。其中176層對應(yīng)1.38 TB，500層對應(yīng)3.9 TB，800層對應(yīng)6.25 TB。
SK海力士在 2019 年 6 月份宣布推出首款 128 層 TLC 4D NAND，11 月份向主要客戶交付基于 128 層 1Tb 4D NAND 的工程樣品并較預(yù)期提前量產(chǎn)。這種先發(fā)優(yōu)勢，將會有助于搶占市場，更快達到規(guī)模經(jīng)濟。
東芝方面，也是CTF電荷擷取技術(shù)，東芝是目前日本最大的半導(dǎo)體制造商，也是閃存技術(shù)的締造者，于1989年最早研制出了NAND閃存。雖然東芝公司最早提出3D NAND架構(gòu)，并于2012年成功研發(fā)16層3D NAND實驗品，但卻遲遲未推出相關(guān)產(chǎn)品上市，導(dǎo)致其市場步伐落于三星之后。
據(jù)悉，迫于三星的市場壓力，東芝計劃采用P-BiCS(Pipe-shaped Bit Cost Scalable)技術(shù)量產(chǎn)3D NAND產(chǎn)品，樣品于2014年Q1送樣，計劃于2016年第二季度量產(chǎn)；且在2016年度至2018年度，東芝大舉投資半導(dǎo)體存儲器，投資額將達8千億日元。
2018 年6 月東芝將鎧俠獨立出去，并賣給由美國貝恩資本主導(dǎo)的「日美韓聯(lián)盟」。東芝目前仍持有鎧俠40.2%股權(quán)。
1月31日，鎧俠宣布已研發(fā)出3D NAND Flash「BiCS FLASH」的第5代產(chǎn)品，采用堆疊112層制程技術(shù)，且已完成試作、確認基本動作。該款堆疊112 層的3D NAND 試作品為512Gb（64GB），采用3bit/cell（TLC：Triple Level Cel）技術(shù)的產(chǎn)品，預(yù)計將在2020 年第一季進行樣品出貨，除將用來搶攻需求持續(xù)擴大的資料中心用SSD、商用SSD、PC 用SSD 及智能手機等市場外，也將用來搶攻5G、人工智能（AI）、自動駕駛等新市場需求。
鎧俠指出，該款112 層3D NAND 產(chǎn)品為該公司和合作伙伴美國Western Digital（WD）所攜手研發(fā)完成，今后將利用雙方共同營運的四日市工廠以及北上工廠進行生產(chǎn)，且今后也計劃推出采用堆疊112 層制程技術(shù)的1Tb（128GB）TLC 產(chǎn)品以及1.33Tb 的4bit/cell （QLC：Quadruple-Level Cell）產(chǎn)品。關(guān)于上述112 層3D NAND 的量產(chǎn)時間，WD 宣布，預(yù)定將在2020 年下半年。
美光過去在 2D 平面式 NAND FLash 技術(shù)世代，一直與英特爾聯(lián)合開發(fā)技術(shù)、分攤產(chǎn)能建置成本等。
不過，從 2D 轉(zhuǎn)進 3D NAND 世代中，美光已經(jīng)直逼擁頭部廠商水準。IC 設(shè)計業(yè)者分析，美光在 3D NAND 技術(shù)層面，已經(jīng)直逼三星水準，其讀寫 read/write performance 只有三星可以抗衡，且在相同layer 下，其die size 也是業(yè)界最小，技術(shù)實力在 3D NAND 時代大幅追上來。
2019年10月初，美光宣布第一批第四代3D NAND存儲芯片流片出樣。第四代3D NAND基于美光的RG架構(gòu)，采用128層工藝。在“Mircon Insight2019”技術(shù)大會上，美光科技執(zhí)行副總裁兼首席商務(wù)官Sumit Sadana表示，128層3D NAND如果被廣泛使用，將大大降低產(chǎn)品每比特成本。
如前文所言，他們即將開始批量生產(chǎn)其基于公司新的RG架構(gòu)的第四代3D NAND存儲設(shè)備，美光第四代的28層3D NAND即將流片表示，表示該公司新設(shè)計不僅僅是一個概念。
同時，美光還沒有計劃將其所有產(chǎn)品線都轉(zhuǎn)換為最初的RG處理技術(shù)，因此明年公司范圍的每位成本將不會大幅下降。盡管如此，該公司承諾在其后續(xù)RG節(jié)點廣泛部署之后，到2021財年（從2020年9月下旬開始）將實現(xiàn)有意義的成本降低。
相比國際先進水平，國內(nèi)廠商長江存儲也在3D NAND上有所突破，并推出了其獨特的Xtacking技術(shù)。
據(jù)相關(guān)報道顯示，傳統(tǒng)3D NAND架構(gòu)中，外圍電路約占芯片面積的20—30％，降低了芯片的存儲密度。隨著3D NAND技術(shù)堆疊到128層甚至更高，外圍電路可能會占到芯片Xtacking技術(shù)將外圍電路連接到存儲單元之上，從而實現(xiàn)比傳統(tǒng)3D NAND更高的存儲密度。
據(jù)悉，長江存儲的64層3D NAND閃存產(chǎn)品將在2020年進入大規(guī)模量產(chǎn)，此外，長江存儲還將在今年跳過96層，直接投入128層閃存的研發(fā)和量產(chǎn)工作。
從進度來看，128層3D NAND基本將在今年大量進入企業(yè)存儲市場，逐漸成為主流。但是從此亦可看出，存儲廠商間的新一輪技術(shù)升級之爭亦將變得更加激烈。
半導(dǎo)體專家莫大康指出，存儲芯片具有高度標準化的特性，且品種單一，較難實現(xiàn)產(chǎn)品的差異化。這導(dǎo)致各廠商需要在工藝技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模上比拼競爭力。
因此，每當市場格局出現(xiàn)新舊轉(zhuǎn)換時，廠商往往打出技術(shù)牌，以期通過新舊世代產(chǎn)品的改變，提高產(chǎn)品密度，降低制造成本，取得競爭優(yōu)勢。
值得注意的是，今年由于疫情原因，可能影響智能手機及筆記本等消費電子產(chǎn)品的出貨，閃存出貨量預(yù)計會衰退或者持平。因此也有業(yè)內(nèi)人士指出，存儲廠可能會更趨向于加大96層3D NAND的生產(chǎn)。
對于中國存儲業(yè)來說，技術(shù)上從2D到3D的改變，是一個難得的發(fā)展機遇，但是如何抓住這個機遇仍具挑戰(zhàn)。
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引用自:原創(chuàng)-邱麗婷(半導(dǎo)體行業(yè)觀察) *免責聲明：本文引用原創(chuàng)-邱麗婷(半導(dǎo)體行業(yè)觀察) 。文章內(nèi)容系作者個人觀點，轉(zhuǎn)載僅為了傳達不同觀點交流與提升半導(dǎo)體行業(yè)認知，不代表對該觀點贊同或支持，如轉(zhuǎn)載涉及版權(quán)等問題，請發(fā)送消息至公號后臺與我們聯(lián)系，我們將在第一時間處理，非常感謝！
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