对于内存市场来说,这是一个动荡不安的时期,这种混乱至今还没有结束。

 


到目前的 2020 年为止,市场对两种主要内存类型 -3D NANDDRAM- 的需求略好于预期。但是现在,由于经济放缓、库存问题和中美贸易战的悬而未决,内存市场依然存在一些不确定性因素。


此外,3D NAND 市场正在朝着新一代技术发展,但是有些技术遇到了良率问题。此外,3D NAND 和 DRAM 的老牌供应商们正迎来来自中国的新竞争对手。


内存市场在经历了 2019 年的放缓之后,本应在今年迎来反弹。但是,COVID-19 大流行突然来袭,相当一部分国家实施了各种措施来缓解疫情的蔓延,例如呆在家中的禁令和关闭企业等举措。于是,经济动荡和失业很快接踵而至。


然而,事实证明,居家办公的经济意外地推动了对个人电脑、平板电脑和其他产品的需求。数据中心对服务器的需求也不断增长。所有这些都推升了对内存、逻辑器件和其他类型芯片的需求。
持续的中美贸易战继续给市场带来了不确定性,但这也同时引发了一波恐慌性的芯片购买热潮。美国对中国的华为公司发起了一系列贸易限制。因此,一段时间以来,华为一直在囤积芯片,从而推高了需求。


但是这一切行将结束,美国公司和其它国家的公司想要在 9 月 14 日之后继续与华为开展业务,他们必须申请到美国政府颁发的新许可证。现在有许多供应商都在与华为切断联系,这势必影响芯片需求。


总体而言,整个内存市场非常复杂,还有许多未知数。为了帮助业界更好地了解内存市场的未来发展,本文分析了 DRAM、3D NAND 和下一代存储器的市场动态。


DRAM 市场动态


当今的系统集成了处理器、图形以及通常被称为内存 / 存储层次结构的内存和存储。在该层次结构的第一层中,SRAM 被集成到处理器中以实现快速数据访问。下一层 DRAM 是独立的,用作主存储器。磁盘驱动器和基于 NAND 的固态存储驱动器(SSD)用于存储数据。


对于 DRAM 来说,2019 年是一个艰难的时期,当时需求低迷且价格持续下跌。三大顶级 DRAM 制造商之间的竞争一直很激烈。根据 TrendForce 的数据,在 DRAM 市场中,2020 年第二季度三星以 43.5%的份额领先,其次是 SK 海力士(30.1%)和美光(21%)。


预计竞争将随着来自中国的新进入者而加剧。根据 Cowen&Co 的说法,中国的长鑫存储(CXMT)正在交付其首条 19nm DRAM 产品线,其 17nm 产品也正在研发中。


CXMT 将如何影响市场还有待观察。与此同时,2020 年的 DRAM 市场可谓喜忧参半。根据 IBS 的数据,DRAM 市场总额预计将达到 620 亿美元,与 2019 年的 619.9 亿美元基本持平。


在家办公的经济以及数据中心服务器的繁荣,推动了 2020 年前三季度对 DRAM 的强劲需求。IBS 首席执行官 Handel Jones 表示:“数据中心和 PC 成为推动 2020 年前三季度增长的主要驱动力。”


如今,DRAM 供应商正在发售基于 1xnm 节点的设备。 FormFactor 高级副总裁 Amy Leong 说:“随着 DRAM 供应商开始增加'1nmy'和'1nmz'节点,我们看到,第三季度的 DRAM 需求在不断增强。”


但是现在,人们普遍担心 DRAM 市场将在 2020 年下半年有所放缓。“ IBS 的琼斯说:“由于数据中心的需求放缓,2020 年第四季度 DRAM 也将有所放缓,但是其下降幅度并不大。”


到目前为止,智能手机的内存需求一直低迷,不过这种局面可能很快就会改变。在移动设备的 DRAM 方面,供应商正在开始铺货基于新 LPDDR5 接口标准的产品。三星表示,16GB LPDDR5 设备的数据传输速率为 5500Mb / s,比之前的移动内存标准(LPDDR4X 为 4266Mb / s)快约 1.3 倍。


Cowen 分析师卡尔·阿克曼(Karl Ackerman)在一份研究报告中表示:“我们预计,随着搭载更高 DRAM 含量的旗舰 5G 智能手机设备出货量的增加,2020 年日历年对移动 DRAM 和 NAND 的需求将增加。”


据 IBS 称,下一代无线技术 5G 有望在 2021 年带动 DRAM 需求。到 2021 年,DRAM 市场总额预计将达到 681 亿美元。 IBS 的琼斯说:“ 2021 年,增长的主要动力将来自于智能手机和 5G 智能手机。此外,数据中心的增长也会相对强劲。”


NAND 面临的挑战


经过一段时间的缓慢增长之后,NAND 闪存供应商也希望在 2020 年迎来反弹。“我们对 NAND 闪存的长期需求感到乐观,” FormFactor 的 Leong 说。


根据 IBS 的数据,2020 年 NAND 闪存市场总额预计将达到 479 亿美元,比 2019 年的 439 亿美元增长 9%。 IBS 的琼斯说:“从 2020 年第一季度到第三季度的关键驱动应用是智能手机、个人计算机和数据中心。我们已经发现 2020 年第 4 季度需求有所疲软,但这无伤大局。”


根据 IBS 的数据,到 2021 年,NAND 市场总额预计将达到 533 亿美元。琼斯说:“ 2021 年的主要动力将是智能手机。我们将会看到智能手机的出货量有所增加,同时每部智能手机的 NAND 含量也在增加。”


在 NAND 市场中,根据 TrendForce 的数据,2020 年第二季度,三星以 31.4%的份额领先,其次是铠侠(17.2%)、西部数据(15.5%)、SK 海力士(11.7%),然后是美光(11.5%)和英特尔(11.5%)。


如果还嫌竞争不够的话,那么,值得一提的是,中国的长江存储(YMTC)最近就携 64 层器件杀入了 3D NAND 市场。琼斯说:“ YMTC 在 2021 年预计将有相对比较强劲的增长,但是它的市场份额非常低。”


同时,一段时间以来,供应商一直在提升 3D NAND(平面 NAND 闪存的接班产品)的层数。与 2D 结构的平面 NAND 不同,3D NAND 类似于一个垂直摩天大楼,其中堆叠了存储单元的水平层,然后使用微小的垂直通道进行连接。


业界是通过器件中堆叠的层数量化 3D NAND 的。随着层数的增加,系统的比特密度将会增加,但是,随着添加更多层,制造挑战将会升级。


3D NAND 的制造还需要一些比较难以处理的沉积和蚀刻步骤。TEL America 副总裁兼副总经理 Ben Rathsack 在最近的演讲中指出:“您使用的是不同的化学物质。您还要遵循某些蚀刻配置文件,特别是对于高纵横比蚀刻或所谓的 HAR。对于 3D NAND 来说,这变得极为关键。” 


去年,供应商们还在销售 64 层 3D NAND 产品。 “到了今天,92 和 96 层 3D NAND 器件就已经很常见了,” TechInsights 的高级技术研究员 Jeongdong Choe 说。 “这些器件在移动设备、SSD 和企业市场中很常见。”


128 层 3D NAND 是下一代技术。有报道称,由于良率问题,128 层产品的进度有一些延误。 “ 128 层 3D NAND 产品刚刚发布。 128 层 SSD 刚刚在市场上发布。”Choe 说。 “确实有点延迟,良率问题仍然存在。”


目前尚不清楚 128 层产品的良率问题将持续多久。不管怎样,供应商正在采取不同的技术路线来推进 3D NAND。有些人正在使用所谓的串堆叠方法。例如,一些公司正在开发两个 64 层的器件,将它们堆叠起来,形成一个 128 层的器件。


其他人选择了另外的技术路线。 Choe 说:“三星保持了 128L 的单堆叠方式,这涉及到非常高的纵横比垂直通道蚀刻。”


业界将继续推进 3D NAND。 Choe 预计,到 2021 年底,将有 176 至 192 层的 3D NAND 器件投入风险试产。


这方面存在一些挑战。Lam Research 首席技术官 Rick Gottscho 表示:“我们对 3D NAND 的层数提升感到乐观。提升 3D NAND 层数面临两个重大挑战。其中之一是,当您沉积越来越多的层时,薄膜中的应力会增加,这会使晶圆变形并扭曲图案,因此当您使用双层或三层时,对齐将成为更大的挑战。”


目前尚不清楚 3D NAND 能够提高到多少层,但是产业界对数据存储的需求永无餍足。

Gottscho 说:“长期需求非常强劲。数据以及数据生成和存储呈爆炸式增长。所有用于挖掘数据的这些应用都将为新的应用提供更多的数据,因此,对数据和永久存储数据的需求永无止境。”


下一代存储器


一段时间以来,业界一直在开发几种下一代内存类型,例如相变存储器(PCM)、STT-MRAMReRAM 等。


这些内存类型颇具吸引力,因为它们结合了 SRAM 的速度、闪存的非易失性,并具备无限的耐久性。但是,由于新存储器使用了复杂的材料和新的切换方案来存储数据,因此它们的发展还需要很长的一段时间。


在所有新的内存类型中,PCM 最为成功。一段时间以来,英特尔一直在发售 3D XPoint,这是一种 PCM。美光公司也在出售 PCM。PCM 是一种非易失性存储器,通过更改材料的状态来存储数据。它比 flash 更快,耐久性也更好。


STT-MRAM 也已经进入了出货阶段。它具有 SRAM 的速度和闪存的非易失性,同时具备无限的耐用性。它利用电子自旋的磁性在芯片中提供非易失性。


STT-MRAM 提供独立器件,或者嵌入到其它系统中。在嵌入形式中,它的目标是在微控制器和其他芯片中替代 22nm 及以上的 NOR(eFlash)。


与闪存相比,ReRAM 具有更低的读取延迟和更快的写入性能。在 ReRAM 中,电压被施加到材料堆栈上,将导致电阻变化,从而将数据记录在内存中。


UMC 产品管理技术总监 David Uriu 表示:“ ReRAM 和 MRAM 在某种程度上都缺乏成功的批量使用案例。从 PCM 到 MRAM 再到 ReRAM,每一项技术都有其优缺点。我们已经看到许多关于这些技术的令人兴奋的预测,但事实是它们仍然在起步发力阶段。”


在 PCM 蓬勃发展的同时,其他技术也正在扎根发芽。Uriu 说:“随着时间的推移,为了获得对新技术能力的信心,需要证明产品接纳的成熟度。总体上来说,它们需要面对成本、模拟性能和使用场景的问题,只有少数几种技术可以满足这些挑战。绝大多数新技术风险太大,无法押注进行生产,也无法覆盖总拥有成本敞口。”


当然,这并不是说 MRAM 和 ReRAM 的潜力有限。“我们确实看到了 MRAM 和 ReRAM 的未来潜力。PCM 虽然相对昂贵,但已经被证明有效,而且开始进入成熟期。我们的行业不断改进与开发新材料和用例,以推进这些新内存设计的成熟度,并将这些产品推向市场以用于高级应用中,例如人工智能、机器学习和内存中处理或内存中计算。它们将扩展到我们今天的消费电子、智能物联网、通信、3D 传感、医疗、交通运输和信息娱乐等许多应用中。”