3D NAND未來五年需求大好 但紫光在技術(shù)上仍存在瓶頸

全球 3D NAND 價格近來快速崩跌，紫光集團旗下的長江存儲肩負打破國內(nèi)“零”存儲自制率之重任，以”光速”的氣勢加入這場存儲世紀大戰(zhàn)。除了武漢 12 寸廠進入生產(chǎn)，南京廠也將于年內(nèi)動工，加上成都廠，紫光將先后啟動三大基地生產(chǎn) 3D NAND 芯片，即使合計投資金額高達 1，800 億人民幣，花十年目標換來比肩巨人三星、東芝的機會，紫光此舉看來大膽但卻值得！

大陸占全球總存儲的消耗量 50 ％，但芯片自制率幾乎是零，全數(shù)仰賴美國、日本、韓國進口，紫光集團旗下的長江存儲投入 3D NAND 研發(fā)近四年時間，今年 32 層芯片進入生產(chǎn)，紫光集團董事長趙偉國在南京舉行的“中國芯片發(fā)展高峰論壇 China IC Summit ”中驕傲指出，中國已有第一支采用自己自主研發(fā)芯片所生產(chǎn)的U盤。

紫光位于武漢的 12 寸晶圓廠今年投入32 層 3D NAND 芯片生產(chǎn)，目前以月產(chǎn)能2000 片小量生產(chǎn)，該生產(chǎn)基地規(guī)劃三座大型 12 寸晶圓廠，合計單月產(chǎn)能上看 30 萬片。

不僅如此，紫光位于南京的半導(dǎo)體項目也將投入 3D NAND 芯片生產(chǎn)，目前南京基地已進入整地階段，最快將于年底前動工，同時，成都的半導(dǎo)體項目也計劃投入 3D NAND 芯片，合計紫光在武漢、南京、成都三大生產(chǎn)基地將投入 1，800 億人民幣生產(chǎn) 3D NAND 芯片，以沖刺經(jīng)濟規(guī)模的戰(zhàn)略，換取比肩國際大廠的契機。

看好 3D NAND 未來五年需求大好，技術(shù)瓶頸存在，紫光要用力趕上

由于全球存儲芯片價格崩跌之勢已現(xiàn)，對于紫光在此時大動作進行擴產(chǎn)，也讓外界不禁擔(dān)心，紫光若啟動三大生產(chǎn)基地生產(chǎn) 3D NAND 芯片，會不會演變成長期產(chǎn)業(yè)供過于求的危機？

甫從華為離職加入紫光集團擔(dān)任執(zhí)行副總裁的楚慶獨家對 DT 君分析 3D NAND后續(xù)走勢看法 ，楚慶認為，無論是從供給面或是技術(shù)面來看，未來 NANDFlash 產(chǎn)業(yè)前景都非常樂觀，今年旗艦級智能手機的存儲容量是 256GB ，明年會成長到 512GB ，消耗的存儲芯片越來越可觀，但3D NAND技術(shù)會遇到不小瓶頸。

他表示，去年華為因為 NAND Flash 芯片缺貨造成銷售額短少 40 億美元，內(nèi)部更因此成立戰(zhàn)略領(lǐng)導(dǎo)小組來分析因應(yīng)供給短缺的情況。

楚慶分析，雖然 3D NAND 技術(shù)不斷往上迭，從 32 層迭到 64 層，但到了 96 層技術(shù)，就不會是一年密度增長一倍的速度了，等堆迭到了 128 層，之后的發(fā)展可能是堆迭到 144 層左右，技術(shù)挑戰(zhàn)越來越艱難，供給不會一直順利產(chǎn)出，因此，紫光對于未來五年的存儲市場抱持樂觀態(tài)度。

對于眼前 3D NAND 產(chǎn)能過剩，楚慶反而認為這是短暫現(xiàn)象，因為現(xiàn)有的幾家半導(dǎo)體大廠包括三星、東芝都是同步發(fā)展 96 層技術(shù)，伴隨技術(shù)突破，一定會有不少產(chǎn)能增加，形成供過于求，但這些新產(chǎn)能很快就會被新增的需求吃掉。

再者，楚慶也認為未來 3D NAND 技術(shù)從 96 層堆迭到 128 層技術(shù)后，每一個世代的技術(shù)進展會從原本的 12 個月，拉長至 18 個月才能達到，而紫光在存儲領(lǐng)域也會有全新的戰(zhàn)略來因應(yīng)，外界可以拭目以待。

長江存儲 Xtacking 驚艷背后的辛酸，楊士寧：選擇這條路要很大勇氣

今年國際存儲大廠三星、東芝、美光、西部數(shù)據(jù)、SK海力士已進入 64 層 3D NAND 技術(shù)的生產(chǎn)，并且完成 96 層 3D NAND 技術(shù)研發(fā)，寄希望于 2019 年投產(chǎn)，三星更要搶在今年第四季率先小幅量產(chǎn) 96 層芯片，除此之外，眾家大廠未來更要再往上朝 128 層 3D NAND 技術(shù)開發(fā)。

長江存儲身為后發(fā)者，為了要快速趕上國際大廠的腳步，計劃在 64 層技術(shù)之后，會跳過 96 層技術(shù)，直攻 128 層 3D NAND 芯片，就技術(shù)規(guī)劃來看，業(yè)界傳出紫光將會以兩顆 64 層芯片直接做堆迭的方式開發(fā)生產(chǎn)。

再者，長江存儲近期提出的 Xtacking 新架構(gòu)引發(fā)全球存儲產(chǎn)業(yè)一陣騷動。長江存儲首席執(zhí)行官楊士寧在 Flash Memory Summit 期間透露， Xtacking 架構(gòu)有很多好處，但挑戰(zhàn)也不少，決定選擇走上這一條道路需要勇氣，因為要讓這個技術(shù)發(fā)揮作用并不容易，他和紫光集團全球執(zhí)行副總裁高啟全來回討論多次才下此決定。

Xtacking 架構(gòu)技術(shù)的基礎(chǔ)是來自于武漢新芯開發(fā)多年的 CMOS 成像器的打線封裝技術(shù)（ Wafer Bonding ），長江存儲為了將該技術(shù)用于 3D NAND 開發(fā)，將其“幾微米的間距”縮小到僅約 100 nm。

當(dāng)中，最為困難的一部分是存儲和邏輯元件的對淮技術(shù)，使用位于晶圓上方和下方的攝影機，透過等離子體活化被擠壓在一起的晶片表面，再以低溫退火做處理。然后，于 I/O 晶圓的背面進行加工，以便在晶片背面形成焊墊。

Xtacking 架構(gòu)將邏輯和存儲元件上下相迭且分開加工，有效解除 I/O 傳輸瓶頸

而對于Xtacking技術(shù)細節(jié)，長江存儲聯(lián)席首席技術(shù)官湯強出席“中國芯片發(fā)展高峰論壇 China IC Summit ”時有非常詳盡的解說。

湯強表示， NAND Flash 是串連式的存儲，傳統(tǒng)的 2D NAND 技術(shù)是二維平面結(jié)構(gòu)，隨著尺寸微縮越來越小，面臨的挑戰(zhàn)越來越多，這其中包括成本過高，以及越來越多的干擾信號等等問題，因此，大家開始想解決方案，把串連式的存儲從平面豎起來，發(fā)展成立體三維結(jié)構(gòu)的 3D NAND，可大幅提高存儲密度，同時也避開光刻上成本的增加，也解決干擾技術(shù)。

不過， 3D NAND 技術(shù)也同樣面臨挑戰(zhàn)，主要面臨來自三大方面，包括 I/O 傳輸速度、存儲密度、產(chǎn)品上市周期，而這三大方面正是存儲技術(shù)的核心競爭力之所在。

湯強解釋，在進行半導(dǎo)體加工時，會先做外圍負責(zé)驅(qū)動、傳輸功能的邏輯電路元件，之后加工存儲陣列元件，但加工存儲陣列元件時所采用的高溫高壓工藝，會影響之前已經(jīng)加工完成的邏輯元件，在邏輯電路上的工藝最多只能做到 0.18 微米制程，速度上無法提升，導(dǎo)致 I/O 的線性傳輸會卡住。

長江存儲Xtacking的解決方式，是把外圍邏輯電路和存儲陣列電路兩個模塊分開加工，之后兩個模塊從水平擺放，變成上下堆迭擺放在一起，如此一來可解除 I/O 傳輸瓶頸，有效提升速度，因為在加工外圍邏輯電路的時候，就不會被陣列電路加工時的高溫高壓所影響。

因此，邏輯電路可以采用更為先進的工藝，從 0.18 微米制程的加工技術(shù)，放寬到 90 納米、 55 納米、 28 納米，甚至是采用高端的 16 納米、 10 納米制程生產(chǎn)，完全貼緊邏輯電路往前進的步伐。

再者，現(xiàn)在的 I/O 傳輸速度瓶頸是0.8 Gb/秒，將來采用先進工藝后，可以放寬至 3 Gb/秒，這和 DRAM 的傳輸速度可以有效縮短。

為了解決體積問題，并且增加芯片密度，兩塊加工完畢的模組從水平擺放變成堆迭擺放，把外圍電路放在陣列電路之下，這使得 Xtacking 的面積利用率從傳統(tǒng)的 65 %提升至 90 %。

其實也有其他國外大廠采用類似技術(shù)，將外圍邏輯電路直接擺放在存儲陣列電路的下面為 PUA，然 Xtacking 技術(shù)不一樣之處在于，是分成個模塊同時做，可縮短研發(fā)周期，工藝不會受到干擾，然后再將模塊拼再一起，未來甚至可以把外圍邏輯電路交給外面做代工，靈活度提升。

長江存儲將從第二代 3D NAND 采用 Xtacking 架構(gòu)，讓優(yōu)勢盡情發(fā)揮

然而， Xtacking 技術(shù)也同樣面臨三大難題，第一是硅片的平整度，隨著存儲堆迭變高，平整度地挑戰(zhàn)是很大的。第二是對孔的對淮精度，要把整片硅片所有的孔都對淮，并且接通，這相當(dāng)不容易。第三是接口材料的選擇，長江存儲甚至和合作供應(yīng)商合作研發(fā)一款新的 CMP 研磨機臺。

在經(jīng)過多時努力，現(xiàn)在 Xtacking 技術(shù)良率提升非?？?，結(jié)構(gòu)的可靠性也很好，在編程擦寫 3，000 次之后，可靠度仍是維持一樣。且針對可靠度測試上，包括溫度循環(huán)測試（Thermal Cycle ）、高溫存儲測試（ High Temp. Storage ）、電子遷移測試（ Electro-migration ），都通過考驗。

長江存儲將從第二代（ 64 層技術(shù)）的3D NAND 采用 Xtacking 架構(gòu)，未來各代技術(shù)也都會導(dǎo)入。未來 3D NAND 層數(shù)堆迭越來越高時，伴隨而來的是外圍電路的占比會變很大，這時，Xtacking 技術(shù)的優(yōu)勢便可以越來越有得發(fā)揮。

長江存儲的 Xtacking 技術(shù)概念最令人驚艷的是傳輸速度可以達到 3Gbps ，比肩DRAM的傳輸水準，加上明年量產(chǎn) 64 層 3D NAND 后，要一舉直攻 128 層技術(shù)，剛好國際大廠在 128 層技術(shù)后會放緩腳步，因此有充裕時間可以追趕。

若 Xtacking 技術(shù)成功量產(chǎn)，會是國內(nèi)存儲產(chǎn)業(yè)的重大里程碑，更為芯片自主開發(fā)的道路注入強心針，且紫光將以武漢、南京、成都三個生產(chǎn)基地投入 3D NAND 芯片生產(chǎn)，下一步要玩經(jīng)濟規(guī)模之戰(zhàn)，以期快速追上國際大廠，快速打破國內(nèi)“零”自制存儲芯片的現(xiàn)況，并且躋身國際大廠之林。