SLC NAND和3D NAND強勢對決 SLC NAND“華麗轉(zhuǎn)身”機遇在哪？

在日本福島外海發(fā)生7.3 級強震之后，日本半導(dǎo)體廠商因為中斷生產(chǎn)期間所造成的產(chǎn)品減少供應(yīng)，其已對當前 NAND Flash市場供應(yīng)吃緊造成了影響，這將使得NAND Flash的報價可能較之前進一步的提高。

NAND Flash的缺貨漲價是當前半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的縮影。近年來，存儲芯片一直都是集成電路市場份額占比較大的類別產(chǎn)品，2018年存儲芯片占全球集成電路市場規(guī)模的比例高達40.21%，成為全球集成電路市場銷售份額占比最高的分支。

在當前全球芯片缺貨漲價背景下，NAND Flash行業(yè)現(xiàn)狀如何？隨著消費端對大容量3D NAND的需求增大，SLC NAND的市場份額會被進一步擠壓甚至替代嗎？國內(nèi)廠商如何在國際大廠策略調(diào)整下助力SLC NAND完成“華麗轉(zhuǎn)身”？

底層設(shè)計差異

1989年，東芝推出了NAND Flash架構(gòu)，從此開啟了存儲領(lǐng)域的新篇章。

作為非易失性存儲芯片，NAND Flash具有存儲容量大、寫入/擦除速度快等特點，非常適合存儲信息，一經(jīng)問世，就廣泛地應(yīng)用于通訊設(shè)備、消費電子、汽車電子等領(lǐng)域。NAND Flash 閃存從產(chǎn)品設(shè)計上可以分為以下幾類，分別為平面的SLC NAND、MLC NAND、TLC NAND、QLC NAND和立體的3D NAND。

如上圖所示，SLC（Single-Level Cell, SLC ）NAND和NOR FLASH的區(qū)別如下。

在NOR閃存中，每個存儲器單元的一端連接到源極線，另一端直接連接到類似于NOR門的位線。在NAND閃存中，幾個存儲器單元（通常是8個單元）串聯(lián)連接，類似于NAND門。一方面，與NOR閃存相比，NAND閃存具有更小的單元尺寸和更高的寫入和擦除速度。

另一方面，與NOR閃存相比，NAND閃存的密度要高得多，主要是因為其每比特成本較低。NAND閃存通常具有1Gb至16Gb的容量。由于NAND Flash具有更高的密度，因此主要用于數(shù)據(jù)存儲應(yīng)用。

最初問世時的SLC NAND設(shè)計架構(gòu)，每個Cell單元存儲1bit信息，也就是只有0、1兩種電壓變化，結(jié)構(gòu)簡單，電壓控制快速，反映出來的特點就是壽命長，性能強，擦寫壽命可達10萬次。MLC、TLC和QLC每個單元存儲的信息依次遞增，電壓變化隨存儲信息增加呈指數(shù)級增長，但相應(yīng)的P/E壽命隨之減少。

不管是SLC NAND還是其他三種NAND，它們都存在“閃存的縮放限制”。而為了打破“閃存的縮放限制”枷鎖，提供高容量、低成本的NAND Flash，不少企業(yè)研發(fā)解決了多種方案，其中就包括3D NAND。平面NAND是由有存儲單元的水平串組成，而在3D NAND中，存儲單元串被拉伸，折疊并以U形結(jié)構(gòu)垂直豎立，單元以垂直方式堆疊來縮放密度。3D NAND存儲單元類似一個微小的圓柱狀結(jié)構(gòu)，微小單元由中間的垂直通道組成，中間是結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電荷層，通過施加電壓，電子被帶入絕緣電荷存儲膜中和從中取出，信號就被讀取。

以三星為例，由浮動?xùn)沤Y(jié)構(gòu) (Floating Gate) 遷移至電荷擷取閃存（ 2D CTF），將 2D CTF存儲單元 3D 化變成3D CTF存儲單元，最后通過工藝技術(shù)提升逐漸往上增加存儲單元的層數(shù)，把存儲單元像蓋大樓一樣越堆越高。

SLC NAND和3D NAND，誰強誰弱？

“SLC NAND和3D NAND不同的底層結(jié)構(gòu)設(shè)計決定了產(chǎn)品性能上的差異。”存儲行業(yè)資深人士指出，“SLC NAND在38nm工藝上可以做到10萬次的擦除，3D NAND由于結(jié)構(gòu)的原因，它不可能做到SLC NAND這樣高可靠性的擦除?！?/p>

SLC NAND產(chǎn)品的底層設(shè)計決定了它比其他NAND的可靠性高、使用壽命長，是新一代汽車、工業(yè)及物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用的理想選擇，可為那些工作在惡劣環(huán)境、溫差大，又需要長期穩(wěn)定可靠運行的應(yīng)用提供了理想的解決方案。

出于產(chǎn)量考慮，NAND閃存隨附著散布的壞塊，隨著擦除和編程周期在NAND閃存的整個生命周期中持續(xù)，更多的存儲器單元變壞。因此，壞塊處理是NAND閃存的強制性功能。

可靠性的另一個方面是數(shù)據(jù)保留，這方面，SLC NAND閃存可以提供10年的典型數(shù)據(jù)保留。

據(jù)悉，串口SPI NAND為過去使用NOR Flash（SPI）需要可靠性要求高、小封裝，又難以接受大容量NOR的高成本應(yīng)用提供了完美的代碼及數(shù)據(jù)存儲的解決方案；而并口的SLC NAND產(chǎn)品則適用于需要更高帶寬的應(yīng)用。

不過，SLC NAND的“缺點”也明顯——容量小?！霸谌萘糠矫?，顯而易見，全世界做得最大的SLC NAND的容量最高能做到16Gb；而3D NAND的起步容量就可達512Gb?！睒I(yè)內(nèi)人士向集微網(wǎng)指出。

3D NAND是從立體空間上解決容量的方案，采用類似于建樓的方式層層堆疊。但堆疊的層數(shù)越多，其穩(wěn)定性挑戰(zhàn)越大。目前，三星、SK海力士等大廠都在投入巨大的資金解決這個技術(shù)難題。

概而言之，兩類NAND各有千秋，SLC NAND勝在產(chǎn)品可靠性，而3D NAND在容量方面更具優(yōu)勢。

新形勢下，SLC NAND“華麗轉(zhuǎn)身”機遇在哪？

產(chǎn)品性能上的差異，也直接決定了他們市場應(yīng)用的不同?！癝LC NAND主要針對基站、PON,路由器等通訊設(shè)備，監(jiān)控安防領(lǐng)域，近年來低功耗的SPI NAND也開始進入了以智能手環(huán)為代表的穿戴式設(shè)備市場。而3D NAND則主打以智能手機和平板電腦的e.MMC，UFS的嵌入式產(chǎn)品，固態(tài)硬盤SSD以及USB Disk等大容量存儲市場?！毙袠I(yè)人士指出，“雖然SLC市場份額不大，但也因為性能差異決定了它們的市場定位，所以3D NAND和SLC NAND之間是不可能取代彼此的位置?！?/p>

SLC NAND除了在嵌入式市場的廣泛采用，近期也隨著4G功能手機的熱銷而進入了功能手機的BOM中，繼續(xù)發(fā)揮著存儲資料信息的作用。另外，隨著全世界5G基站的建設(shè)熱潮，在5G CPE的產(chǎn)品中也出現(xiàn)了SLC NAND的身影。

此外，汽車電子成為中小容量SLC NAND重要驅(qū)動力量。隨著消費者對駕駛安全性、舒適性的需求不斷提升，以及相關(guān)政策的推動，汽車智能化正迎來快速發(fā)展時期。

在汽車系統(tǒng)中，從先進駕駛輔助系統(tǒng)到完全自動駕駛，復(fù)雜的汽車應(yīng)用將更需要高容量的閃存，這對設(shè)計者而言，成本的考慮變得相對重要許多。NAND Flash相比NOR Flash單位成本來說具有優(yōu)勢，能夠為較大容量車規(guī)級閃存提供良好的解決方案，這也將是SLC NAND的“用武之地”。Gartner預(yù)計至2024年，全球ADAS領(lǐng)域的NAND Flash存儲消費將達41.5億GB，2019-2024年復(fù)合增速將達79.8%。

從全球NAND廠商來看，2019 年全球 NAND Flash 市場中，三星電子、鎧俠、美光科技和海力士等廠商，均在 NAND Flash市場占據(jù)了很大的市場份額。國外廠商憑借先發(fā)優(yōu)勢以及在終端市場建立了優(yōu)勢。

不過，目前海外大廠正在全力擴建3D NAND產(chǎn)能，在SLC NAND的供給策略已有所變化，因此這也給SLC NAND的國內(nèi)廠商騰出了發(fā)展空間。

業(yè)內(nèi)人士指出，“海外供應(yīng)商在NAND FLASH的領(lǐng)先優(yōu)勢主要還是集中于3D NAND，3D NAND的應(yīng)用市場主要是智能手機內(nèi)的存儲，固態(tài)硬盤等。雖然海外供應(yīng)商在SLC NAND的產(chǎn)品上有著先發(fā)優(yōu)勢，但這些優(yōu)勢隨著SLC NAND市場的固化和國內(nèi)廠商研發(fā)的投入，也正在逐步地消失?！?/p>

SLC NAND對于三星、美光這些供應(yīng)商來說，其實是一個非常小的細分市場，但是對國內(nèi)廠商來說，SLC NAND的全球市場足夠大，并且SLC NAND也是進入MLC NAND、TLC NAND甚至3D NAND的必經(jīng)之路。

按照SLC NAND占全球5%的NAND FLASH市場份額來計算的話，SLC NAND一年也有近30億美金的TAM。臺灣的存儲器供應(yīng)商如旺宏、華邦也在積極地擴展SLC NAND的產(chǎn)品和應(yīng)用領(lǐng)域。

國內(nèi)的廠商的優(yōu)勢還是在于本土化。“相對于海外競爭對手來說，一方面，我們更加貼近本土市場，能夠快速響應(yīng)客戶需求，予以充分的服務(wù)支持，可以穩(wěn)步占據(jù)供應(yīng)鏈的關(guān)鍵位置；另一方面，中國企業(yè)與本土電子產(chǎn)品制造企業(yè)在企業(yè)文化、市場理念等方面相互認同，業(yè)務(wù)合作通暢、高效，形成了密切且相互依存的產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈。”上述業(yè)內(nèi)人士表示。

據(jù)了解，國內(nèi)廠商在SLC NAND的布局上，目前還都是Fabless模式，產(chǎn)品制程也從38nm進入24nm，最近也開始了1xnm產(chǎn)品的先期研發(fā)。除了在產(chǎn)能上需要Foundry的支持外，國內(nèi)廠商也開始進入高可靠性的SLC NAND領(lǐng)域，包括車規(guī)市場、工業(yè)領(lǐng)域等。

隨著5G通訊及安防監(jiān)控領(lǐng)域的持續(xù)增長以及汽車電子等新興領(lǐng)域的興起和發(fā)展，中小容量存儲市場未來具有較大增長空間。隨著國內(nèi)設(shè)計技術(shù)的創(chuàng)新和工藝節(jié)點的提升，SLC NAND市場有望在國內(nèi)廠商助推下實現(xiàn)“華麗轉(zhuǎn)身”。

編輯：hfy