近三年来 NAND Flash 市场行情波动较大,从 2016 年开始价格持续上涨,在经历了 2 年的持续涨价后急转向下,从 2018 年开始,SSD 进入价格下跌轨道。

 

NAND Flash 市场行情如此大的波动,究其原因应该是前期由于闪存技术方面进行革新,在 2D NAND 转制到 3D NAND 的过程中,闪存制程的工艺尚未成熟,良品率低,引发 NAND 颗粒出货量的不足,进而造成闪存颗粒原材料的供不应求,推动终端产品价格的上涨。

 

2018 年 NAND Flash 市场行情之所以会出现反转,除了受到传统淡季的冲击以外,同时还随着 3D NAND 制程工艺的成熟,产量的提高,闪存的价格随之开始下降,业内预计,随着 72 层 /96 层 TLC/QLC 闪存在 2019 年的产能提升,未来以 SSD 为代表的闪存产品会有更大的价格下探空间。

 

对于 2019,来自笔记本、智能手机、服务器以及终端零售市场的需求并没有特别强劲,在当前闪存市场占有高达 30%份额的三星最近还因为智能机和存储产品的销售表现不及预期下修了营收预期。

 


与非网小编今天来介绍一下 SSD 闪存颗粒、其当前的发展状况以及相关厂商的进展情况。


闪存颗粒知多少
闪存颗粒是一种非易失性存储器,即在断电的情况下依旧可以保存已经写入的数据,而且是以固定的区块为单位,而不是以单个的字节为单位。

 

根据用途和规格不同,闪存颗粒有很多不同的变种,今天我们主要讨论的是用于固态硬盘等存储设备中最为常用的 NAND 闪存颗粒。

 

根据 NAND 闪存中电子单元密度的差异,又可以分为 SLC(单层次存储单元)、MLC(双层存储单元)、TLC(三层存储单元)以及 QLC(四层存储单元),不同的存储单元在寿命以及造价上有着明显的区别。

 

 

 

SLC、MLC、TLC、QLC 之间的区别

1、单层次存储单元 SLC(Single-Level Cell),即 1bit/cell,速度快寿命最长,价格贵(约 MLC 3 倍以上的价格),约 10 万次擦写寿命。


2、双层存储单元 MLC(Multi-Level Cell),即 2bit/cell,速度一般寿命一般,价格一般,约 3000---1 万次擦写寿命。


3、三层存储单元 TLC(Trinary-Level Cell),即 3bit/cell,也有 Flash 厂家叫 8LC,速度慢寿命最短,价格便宜,约 1 千次擦写寿命。


4、四层存储单元 QLC( Quad-Level Cell),即 4bits/cell,成本更低,容量更大,但寿命更短,理论可擦写 150 次左右。

 

注:每 Cell 单元存储数据越多,单位面积容量就越高,但同时导致不同电压状态越多,越难控制,所以导致颗粒稳定性越差,寿命低,各有利弊。

 

在上文中,我们介绍了根据闪存颗粒内部电子数的不同,会分为 SLC/MLC/TLC/QLC,而随着晶圆物理极限的不断迫近,固态硬盘上单体的存储单元内部的能够装载的闪存颗粒已经接近极限了,更加专业的术语表述就是单 die 能够装载的颗粒数已经到达极限了,要想进一步扩大单 die 的可用容量,就必须在技术上进行创新。


NAND 闪存技术分为 2D NAND 和 3D NAND。

 

 

2D NAND 表示一种颗粒在单 die 内部的排列方式,是按照传统二维平面模式进行排列闪存颗粒的。相对应的 3D NAND 则是在二维平面基础上,在垂直方向也进行颗粒的排列,即将原本平面的堆叠方式,进行了创新。

 

3D NAND 颗粒又可以分为 32 层、48 层甚至 64 层甚至更高层次,3D TLC/MLC 颗粒的不同产品,各大厂商的技术不尽相同。


随着 3D NAND 技术的快速发展,QLC 技术不断成熟,QLC 产品也已开始陆续出现,可以预见 QLC 将会取代 TLC,犹如 TLC 取代 MLC 一样。而且,随着 3D NAND 单 die 容量不断翻倍增长,这也将推动消费类 SSD 向 4TB 迈进,企业级 SSD 向 8TB 升级,QLC SSD 将完成 TLC SSD 未完成的任务,逐渐取代 HDD,这些都逐步的影响着 NAND Flash 市场。

 

 

随着时代发展,NAND 闪存颗粒的技术突飞猛进,并且逐渐形成了几个超大规模的专业闪存颗粒制造商,这些能够直接切割晶圆和分离出 NAND 闪存颗粒的厂商,一般称之为闪存颗粒原厂。

 

它们分别是三星、东芝、闪迪、英特尔、SK 海力士、美光等六家颗粒制造商,据统计它们六家的闪存产能几乎占据了 NAND 闪存市场近 9 成的市场比重,几乎所有的工艺的创造和升级,都是由这么几家原厂所主导。国内闪存厂商在堆栈技术和工艺方面还有着一定的差距,但追赶之势仍在。下面,来给大家简单介绍一下六家闪存原厂以及国内先进闪存厂商的进展情况。


三星:NAND Flash 市场领先者

 

 

三星已开始大规模生产第五代 V-NAND,堆叠层数 96 层,支持 Toggle DDR 4.0 接口,传输速度最高可达 1.4Gbps,相比 64 层 V-NAND 提升 40%。

 

其制造工艺上也做了优化,制造生产效率提升 30%,后续基于该技术三星还将推出容量高达 1Tb 容量的 V-NAND。此外,三星也已大规模生产基于 QLC SATA SSD,基于 64 层单颗 Die 1Tb QLC(4-bit)V-NAND,新的 QLC SSD 搭载了 32 颗芯片,最高容量高达 4TB。

 

东芝:命运的身不由己

 

 

前一段时间,东芝宣布了旗下第四代 BGA SSD 产品 BGA4,该系列是对前代 BG3 的一次重大升级。

 

东芝 BGA4 采用了新型 96 层 3D TLC,取代了他们的 64 层 NAND,可带来更高的容量、更低的功耗。BG2 和 BG3 中使用的 PCIe 3 x2 控制器被支持 PCIe 3 x4 的新控制器取代,为更高的顺序 I/O 性能打开了大门。BG4 仍采用了无 DRAM 设计,而是配备了 NVMe 主机内存缓冲区(HMB)功能来缓解无刷驱动器否则会遭受的性能损失。

 

东芝 BG4 容量有 128 GB,256 GB,512 GB,1TB,东芝是第一家推出采用 96 层 NAND 的 SSD 厂商,BG4 将成为第二款开始出货的 96 层 SSD。东芝的 BG 系列是面向 OEM 市场的入门级 NVMe SSD 产品,在消费者中有着不小的关注度。

 

西部数据 / 闪迪:存储界翘楚强强联合

西部数据在 2018 年 10 月公布了 96 层 3D NAND UFS 2.1 嵌入式存储,该 96 层 3D NAND UFS 2.1 产品采用了西部数据公司的 96 层 3D NAND 技术、先进的 UFS 2.1 接口技术及西部数据公司的 iNAND SmartSLC5.1 架构,能够为智能手机、平板电脑和 PC 笔记本电脑设备提供卓越的数据性能。针对目前热门的 AI、AR 和多摄像头支持、高分辨率拍摄等领域有所优化。

 

它可以在未来 5G 网络到来的时候,实现高的速度下载和传输存储,并为 AI 技术提供支持。提供高达 550MB/s 的连续写入性能,主要面向手机、平板电脑和笔记本等智能终端。将优先用于闪迪品牌下销售的消费级闪存产品,2018 下半年批量出,2019 年开始批量生产。

 


闪迪推出的闪迪至尊高速 3D 固态硬盘全采用 64 层 3D NAND 技术的,此系列有 250GB,500GB,1TB,2TB 四个容量规格。

 

闪迪此款 SSD 的闪存芯片是当时全球首款运用 64 层堆栈 3D NAND 技术的 SSD,垂直堆栈了 64 层数据储存单元,在同样的空间内容纳更高储存容量。闪迪至尊高速 250G SSD 使用 Marvell 88SS1074 主控搭配,支持 DEVSLP 休眠模式以实现低功耗。闪存为闪迪 15nm 3D NAND 闪存颗粒,正反两面共四颗 64GB 闪存颗粒。闪迪 缓存芯片为 256MB 南亚缓存,支持 SLC Cache – 非易失性写入缓存技术。

 

美光、英特尔:相爱相杀

 


IM 闪存科技公司(IMFT)是美光与英特尔在 2005 年为了生产 NAND 闪存而联合成立的公司,联合研发 NAND 闪存及革命性的 3D XPoint 存储芯片。


2018 年 1 月,英特尔宣布完成目前 3D NAND 的开发后,将与美光分道扬镳,时间大概是 2019 年初,之后,两家公司将独立开发 3D NAND。此外,就 3D Xpoint 合作关系,英特尔与美光也将在 2019 年正式分手。

 

此前,美光与英特尔已经合作量产出 64 层 QLC(4-bit)NAND,单颗 Die 容量达 1Tb。美光和英特尔用两家联合开发的 64 层 3D TLC NAND 升级了所有的 SSD。


双方分手之后要各自组建独立的研发团队,在 3D Xpoint 方面,英特尔会推出专注于个人电脑的 Optane,美光推出专注于服务器的 QuantX。但英特尔仿佛并没有遵守约定,去年宣布在美国新墨西哥州奥兰珠市的工厂新增 100 多个岗位,主要就是 3D XPoint 闪存技术的研发,这似乎动了美光的“蛋糕”。在此之前,英特尔已经在中国大连投资 55 亿美元建设了 3D NAND 闪存生产厂,去年 9 月份也正式开始量产。

 

不管是企业级 SSD,云端还是手机,数据存储需求一直在增加,美光一直在为市场提供解决方案,从生产出的 QLC 新产品 5210 ION SSD,到即将推出的大容量、高性能的 96 层 3D NAND 技术。美光在中国上海、西安等地都设有测试工厂致力于提供给市场更好的 SSD 解决方案。


在新一代 3D NAND 方面,英特尔在大连的二期工厂去年 9 月已经开始投产,主要生存 96 层堆栈的 3D NAND 闪存。英特尔傲腾技术将提供卓越性能,具体表现在低延迟、高服务质量、高耐用性、高吞吐率。可预测的服务质量速度将提高 60 倍,适用于延迟要求苛刻的关键应用。

 

另有消息透露,英特尔在 2019 年将与紫光集团进行合作并将 NAND 技术进行授权,这对国内闪存技术和市场来说或是一次助力。

 

SK 海力士:加码 NAND M15 新产线

SK 海力士表示成功研发采用 CTF 的 96 层 512Gb 4D  TLC NAND Flash,I/O 接口速度 1.2Gbps,结合 PUC 与 CTF 记忆单元结构,大幅改善产品性能与生产力。


1 颗 SK 海力士 96 层 512Gb 3D NAND Flash 可取代 2 颗 256Gb 3D NAND Flash,写入、读取性能也比 72 层 3D NAND Flash 提高 30%与 25%。由于体积缩小的特点,可用在智能型手机的芯片封装

 


SK 海力士表示,结合用在 3D NAND Flash 的 CTF 记忆单元结构与 PUC 技术是业界创举。每个 I/O 端子的信息传输速度提高到 1,200Mbps,动作电压降至 1.2V,使电源效率比 72 层产品改善 150%。


SK 海力士还将推出 96 层 QLC NAND,单 die 容量 1Tb,预计将在 2019 年下半年送样。
SK 海力士期待 96 层 3D NAND Flash 能在企业用 SSD 市场提高产品竞争力,并且持续研发采用相同技术的 128 层 3D NAND Flash。


长江存储:长江后浪推前浪

 

 

长江存储属于业内的新人,但是它已经能够提供 32 层的闪存产品,计划 64 层 NAND 将会在 2019 年第三、四季度量产,之后会跳过 96 层 NAND,直接研发 128 层 NAND。


值得一提的是,长江存储还搞出了 Xtacking 架构,可在一片晶圆上独立加工负责数据 I/O 及记忆单元操作的外围电路。这样的加工方式有利于选择合适的先进逻辑工艺,以让 NAND 获取更高的 I/O 接口速度及更多的操作功能,从而将 I/O 速度提升到 3Gbps。存储单元同样也将在另一片晶圆上被独立加工。当两片晶圆各自完工后,创新的 XtackingTM 技术只需一个处理步骤就可通过数百万根金属垂直互联通道将二者键合接通电路,而且只增加了有限的成本。

 

面对着各家原厂 NAND Flash 产能增加以及 QLC、96 层 3D NAND 等技术均有所突破,并预计在 2019 年扩大生产规模,NAND Flash 市场供应量将大幅增加。虽然最近有消息传出,由于客户需求正在变缓,各厂家都计划推迟工厂扩建、产能扩充计划。但 NAND Flash 市场整体形势已如此,市场将持续供过于求,NAND Flash 每 GB 成本也将进一步降低。


就目前而言,由于 64 层、72 层堆叠 3D 闪存产能持续提升,NAND 市场供应仍然很充足。同时,笔记本、智能手机市场都已相当饱和,需求增长有限。在加上渠道供应链内也堆积了大量 NAND 闪存芯片,NAND Flash 价格势必将持续缓慢下滑。对于 DIY 玩家来说,在经历了 2017 年 PC 硬件市场的“冰火两重天”,以及 2018 年 CPU 和主板的一波涨价之后,也总算松了一口气。

 

再回头重新审视市场格局,尽管目前闪存市场几乎被六大原厂垄断,但随着国内半导体产业投入的加大,国内存储器行业也将迎来加速发展,虽然在短期内难以撼动三星、SK 海士力以及美光等存储大厂,但未来凭借国内庞大的内需市场、优秀的开发能力,以及具国际水准的产能,必将在全球半导体产业拥有一席之地。

 

 

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