3D NAND 的堆叠大战正在如火如荼地进行。如果说几家国际闪存大厂,如三星、美光、东芝、西数、SK 海力士当前推向市场的主流产品是 64 层(或 72 层)3D NAND,那么明年就将跨入 96 层。

 

在近日举行的国际存储研讨会 2018(IMW 2018)上,应用材料公司预测,到 2020 年 3D 存储堆叠可以做到 120 层甚至更高,2021 年可以达到 140 层以上。除了 3D 堆叠之外,存储厂商也在力图通过改善数据储存单元结构与控制器技术以增加单位存储容量,美光便于日前率先推出 QLC 3D NAND,将单位存储容量提升了 33%。

 


这些情况说明了国际大厂正在加快推进 3D NAND 的技术演进,以便加高自身技术壁垒,拉开与竞争者的差距。存储器是我国重点发展的核心芯片之一,长江存储等国内企业亦有望于今年年底前实现小批量产。在 3D NAND 新产品技术进入市场之际,加快发展步伐,跟上国际技术的演进节奏非常重要。

 

NAND 闪存 3D 堆叠未来上看 140 层?随着 2017 年几大国际存储厂商争相推进 64 层 3D NAND 量产,今年以来相关产品已经开始大量进入主流市场。根据集邦咨询半导体研究中心(DRAMeXchange)的数据,今年第一季度 NAND 闪存品牌厂营收季减 3%;第二季度 PC 用固态硬盘(SSD)合约价均价下跌 3%~11%。而连续两个季度价格下跌的主要原因,一方面是因为市场仍处于小幅供过于求的状态,另一方面则是因为大多数 SSD 供货商为促销最新一代的 64/72 层 3D SSD 新品,降价意愿提升。

 

对此,DRAM eXchange 研究协理陈玠玮表示,英特尔、三星、美光、东芝、SK 海力士等厂商的最新 64/72 层 3D SSD 都已给主要客户送样测试,而且也先后进入量产阶段。这是今年市场竞争会加剧的主因。

 

在 NAND 闪存跌价的行情下,拥有成本优势成为存储厂市场竞争的关键。有消息称,三星开始量产 64 层 3D NAND,并利用新平泽工厂提高产量;美光推进 64 层 3D NAND 也非常顺利;东芝、西部数据从去年下半年开始量产 64 层 3D NAND;SK 海力士随着 72 层 3D NAND 产能及良率提升,预计今年其搭载 72 层 3D NAND 的企业级 SSD 出货比重将显著提升。

 

除了扩大 64/72 层 3D NAND 生产比重,存储厂也在推进下一代技术的开发与量产。有消息称,三星将抢先在 2018 年年底前量产 96 层 3D NAND,并投入 128 层 3D NAND 研发。但也有相关人士表示,由于 96 层 3D NAND 技术难度相对较大,三星或以 92 层作为过渡技术。东芝与西部数据此前曾经宣布 96 层 3D NAND 已完成研发,并屡次扩大 Fab6 工厂的投资金额,为 96 层 3D NAND 的量产做准备。英特尔和美光曾表示,第三代 3D NAND 技术(96 层)的开发将于 2018 年年底或 2019 年年初交付,预计英特尔和美光 96 层 3D NAND 可在 2019 年下半年实现量产。

 

3D 化已经成为 NAND 闪存技术的主要发展方向,它指储存器单元不在一个平面内,而是一个堆叠在另一层之上。采用这种方式,每颗芯片的储存容量可以显著增加,而不必增加芯片面积或者缩小单元,使用 3D NAND 可以实现更大的结构和单元间隙。这有利于增加产品的耐用性,降低生产成本。3D 堆叠已经成为 NAND 厂商间的主要竞争方向。

 

QLC 固态硬盘加速进入市场改善数据储存单元结构及控制器技术,以增加单位存储容量,降低生产成本,是 NAND 闪存的另一个发展方向。

 

5 月 21 日,美光科技率先推出业界首款采用 QLC 四比特单元存储技术的固态硬盘,并表示已经开始供货。根据美光发布的产品数据,其新推出的 5210 ION 固态硬盘,采用了 64 层 3D QLC NAND 与 QLC 架构,相较于 TLC 架构容量更大,使得单颗芯片容量可高达 1Tb。
目前,存储单元的结构类型分为以下几种:SLC、MLC、TLC、QLC。QLC 四比特单元(每个 Cell 单元储存 4 个数据),成本更低,容量更大,但寿命更短(理论上可擦写 150 次),将使企业降低生产成本,获得高竞争力。IDC 研究副总裁 Jeff Janukowicz 表示,QLC 企业级 SATA 固态硬盘提供了一种经济实惠的方式,将企业应用程序迁移到闪存,而且有机会扩大企业级闪存的潜在市场。

 

实际上,不仅是美光,为了降低 NAND 闪存的生产成本,提升产品竞争力,三星、东芝、西部数据等公司都在加速 QLC 3D DAND 的开发。2017 年 7 月,东芝与西部数据就发布了采用 BiCS4 技术的 QLC 闪存,核心容量 768Gb。根据东芝与西部数据的介绍,采用 BiCS4 技术的 96 层 3D NAND 已完成研发,初期用来制造 3D TLC 闪存,单颗芯片容量 256Gb,而在良品率足够高之后,会转向更高容量的 3D TLC,并最终制造 3D QLC,容量可达 1Tb。此外,三星也在发展 QLC NAND 芯片,将会在第五代 NAND 技术上实现这一目标。

 

中国存储需跟上国际技术演进节奏无论是 3D 堆叠还是 QLC 的推出,这些情况均说明了随着 3D NAND 技术走向实用化,国际厂商正在加快推进技术进步。3D NAND 相对 2D NAND 来说,是一次闪存技术上的变革。而且不同于基于微缩技术的平面闪存,3D 存储器的关键技术是薄膜和刻蚀工艺,技术工艺差别较大,而且相对 2D NAND 来说,国际大厂在 3D 存储器布局方面走得并不远。从现在的情况来看,很显然,国际厂商们也认识到了这个问题,正在纷纷加大技术研发的力度,以期争夺新时期的高点;同时增加产能与量产上的投入,力求与对手拉开距离。

 

目前,中国投入 3D NAND 的企业,以长江存储为主,目前项目进展的速度也很快。根据公布的资料,2016 年 12 月底,由长江存储主导的国家存储器基地正式动土,预期分为三个阶段,将建设三座 3D NAND 厂。2017 年 9 月,一期厂房提前封顶;11 月,成功开发出 32 层 3D NAND 芯片;2018 年 4 月 11 日,生产设备正式进场安装。

 

紫光集团董事长、长江存储董事长赵伟国在装机仪式上表示,武汉长江存储基地将募资 800 亿元,金额已经全数到位,今年可进入小规模量产,明年进入 128Gb 的 3D NAND 64 层技术的研发。紫光集团全球执行副总裁暨长江存储执行董事长高启全则披露,长江存储的 3D NAND 闪存已经获得第一笔订单,总计 10776 颗芯片,将用于 8GB USD 存储卡产品。

 

中科院微电子所所长叶甜春表示:“主流存储器产品带有标准化的大宗产品特征,因此这个市场的竞争也就显得更加激烈。一家企业的成功与否往往取决于技术进步的速度与资本投入量。企业如果不能跟上技术更新换代的速度,很快就会被淘汰。”叶甜春还强调了产品特有结构、企业特有工艺技术发展的重要性,以应对国际上的技术竞争。“一家存储器厂生产线不会全部都用通用装备。在度过了发展初期阶段后,企业必然会发展出一些特有的工艺技术,同时需要对工艺设备进行定制化改造。我觉得 3~5 年后,中国存储企业就应走到这一步,否则很难形成自己的客户群。而要完成工艺设备的定制,国内装备企业的发展又显得十分重要。”叶甜春指出。