NAND Flash未來既柳暗，又花明？

得益于5G、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，存儲器需求呈現(xiàn)倍數(shù)增長，發(fā)展空間廣闊。其中，NAND Flash作為半導(dǎo)體存儲器第二大細分市場，自然也備受關(guān)注。

回溯NAND Flash的歷史

經(jīng)歷了半個世紀發(fā)展的半導(dǎo)體存儲技術(shù)，如今已逐漸成熟，其衍生出的存儲技術(shù)中包括Flash技術(shù)。

Flash技術(shù)分為NAND Flash和NOR Flash二種。雖然NOR Flash傳輸效率很高，但寫入和擦除速度很慢，容量也較小，一般為1Mb-2Gb，常用于保存代碼和關(guān)鍵數(shù)據(jù)，而NAND Flash能提供極高的單元密度，可達到高存儲密度，適用于大量數(shù)據(jù)的存儲。NAND Flash具有寫入、擦除速度快、存儲密度高、容量大的特點，也因此迅速成為了Flash主流技術(shù)。

NAND Flash技術(shù)自問世以來，已經(jīng)積累了近40年的發(fā)展底蘊，并已成為存儲器第二大細分市場。按存儲單元密度來分，NAND Flash可分為SLC、MLC、TLC、QLC等，對應(yīng)1個存儲單元分別可存放1、2、3、4bit的數(shù)據(jù)。目前NAND Flash主要以TLC為主，不過QLC比重正在逐步提高。

值得一提的是，被提出很多年但一直沒有商用落地的PLC終于露出水面。

今年8月初，SK海力士旗下NAND閃存解決方案提供商Solidigm在閃存峰會上展示了全球首款正在研發(fā)的PLC（五層單元）SSD。與QLC（四層單元）SSD相比，PLC SSD可在每個存儲單元內(nèi)存儲5bit的數(shù)據(jù)。

NAND閃存從SLC、MLC、TLC、QLC及PLC一路走來，容量逐步上升，可市場更關(guān)心的是性能、可靠性、壽命、成本等問題是否也可以跟著優(yōu)化。據(jù)Solidigm介紹，在相同的空間內(nèi)，使用PLC SSD存儲數(shù)據(jù)量可增加25%，可以用來解決固態(tài)存儲未來的成本、空間和能耗等問題。該款SSD將首先用于數(shù)據(jù)中心產(chǎn)品，具體發(fā)布和上市時間待定。

從閃存結(jié)構(gòu)來看，為滿足各時期的市場需求，NAND Flash技術(shù)已從2D NAND升級到3D NAND，再到4D NAND。

時光追溯到1987年，時任日本東芝公司工程師岡本成之提出的一項發(fā)明徹底改寫了人類信息時代的面貌，即2D NAND。當時東芝（2019年更名為鎧俠）雖占據(jù)NAND Flash市場先機，但東芝戰(zhàn)略重心偏向DRAM市場，忽略了NAND Flash的發(fā)展?jié)摿?。之后?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/英特爾/" target="_blank">英特爾和三星迅速加入市場，推出了2D NAND產(chǎn)品。

隨后，全球廠商都圍繞著2D NAND進行研發(fā)，隨著2D NAND的線寬已接近物理極限，3D NAND應(yīng)運而生。

2007年，東芝推出BiCS類型的3D NAND。2D NAND的含義其實是二維平面堆疊，而3D NAND，顧名思義就是立體堆疊。3D NAND的到來，讓NAND Flash技術(shù)直接從二維升華到三維的密度。

按英特爾的說法，2D NAND就像在一塊有限的平面上建平房，這些平房整齊排列，隨著需求量不斷增加，平房的數(shù)量也不斷增多，可面積有限，只能容納一定數(shù)量的平房。相較于2D NAND，3D NAND則可以在同一塊平面上建樓房，樓層越高，容量也就越大，在同樣的平面中樓房的容積率遠遠高于平房，提供了更大的存儲空間?？梢?，隨著市場對存儲性能需求的提升，2D NAND過渡到3D NAND是大勢所趨的。

3D NAND自2007年進入大眾視野后，2014年正式商用量產(chǎn)。

2013年，三星推出第一代V-NAND（三星自稱3D NAND為V-NAND）閃存。據(jù)三星介紹，V-NAND技術(shù)采用不同于傳統(tǒng)NAND閃存的排列方式，通過改進型的Charge Trap Flash技術(shù)，在一個3D的空間內(nèi)垂直互連各個層面的存儲單元，使得在同樣的平面內(nèi)獲得更多的存儲空間。雖然該款堆疊層數(shù)僅為24層，但在當時卻打破了平面技術(shù)的瓶頸，并使3D NAND Flash從技術(shù)概念推向了商業(yè)市場。

2014年，SanDisk和東芝宣布推出3D NAND生產(chǎn)設(shè)備；同一年，三星率先發(fā)售了32層MLC 3D V-NAND，這也意味著3D NAND正式商用化。繼三星之后，美光也實現(xiàn)了3D NAND商用化。憑借其在容量、速度、能效及可靠性的優(yōu)勢，3D NAND逐漸成為行業(yè)發(fā)展主流。

3D之后，4D NAND悄然來臨。SK海力士在2018年研發(fā)的96層NAND Flash已超越了傳統(tǒng)的3D方式，并導(dǎo)入4D方式，該款也成為了全球首款4D NAND Flash。

據(jù)了解，4D NAND技術(shù)是由APlus Flash Technology公司提出，其技術(shù)原理是NAND+類DRAM的混合型存儲器，采用了“一時多工”的平行架構(gòu)，而3D NAND只能執(zhí)行“一時一工”。若一到十工同時在4D閃存系統(tǒng)執(zhí)行時，其速度會比3D NAND快一到十倍。雖然相比3D方式，4D架構(gòu)具有單元面積更小，生產(chǎn)效率更高的優(yōu)點。不過，目前市面上還是以3D NAND為主。

從平房到摩天大樓，各大原廠的謀略

隨著應(yīng)用領(lǐng)域和使用場景愈發(fā)多樣化，市場對NAND Flash的要求也隨之提升，譬如想要更高的讀寫速度、最大化的存儲容量、更低的功耗和成本等?？刹捎枚S平面堆疊方式的2D NAND已經(jīng)不再能滿足市場的需求，這一切也促使NAND廠商必須謀定而后動，之后便沉下心來埋頭研發(fā)，NAND Flash結(jié)構(gòu)也從平房蛻變到摩天大樓。

采用三維平面堆疊方式3D NAND雖大大增加了存儲空間，但如何突破3D NAND層數(shù)瓶頸，堆疊更高的摩天大樓，一直是市場的焦點，也是NAND廠商研發(fā)的痛點。在此之下，一場有關(guān)NAND Flash的層數(shù)之爭已持續(xù)數(shù)年，NAND廠商早已吹響沖鋒集結(jié)號，這一路也取得了不少的成就。

自2012年24層BiCS1 FLASHTM 3D NAND Flash之后，鎧俠還研發(fā)出了48層、64層、96層、112層/128層。2021年，鎧俠聯(lián)手西部數(shù)據(jù)突破162層BiCS6 FLASHTM 3D NAND Flash。今年5月，西部數(shù)據(jù)與鎧俠未來的路線圖指出，預(yù)計2024年BiCS+的層數(shù)超過200層，如果一切按計劃進行，2032年應(yīng)該會看到500層NAND閃存。

最早在3D NAND領(lǐng)域開拓疆土的是韓國廠商三星。2013年8月，三星推出V-NAND（3D NAND）閃存，這也是全球首個3D單元結(jié)構(gòu)“V-NAND”。之后，三星還陸續(xù)推出了32層、48層、64層、96層、128層、176層的V-NAND。2021年末，三星曾透露正在層數(shù)200+的V-NAND產(chǎn)品，目前暫未披露相關(guān)信息。

作為韓國第二大存儲廠商的SK海力士也不甘落后，在2014年研發(fā)出3D NAND產(chǎn)品，并在2015年研發(fā)出36層3D NAND，之后按照48層、72層/76層、96層、128層、176層的順序陸續(xù)推出閃存新產(chǎn)品。2022年8月3日，SK海力士再將層數(shù)突破到238層的新高度，該層數(shù)是當前全球首款業(yè)界最高層數(shù)NAND閃存，產(chǎn)品將于2023年上半年投入量產(chǎn)。

2016年，美光發(fā)布3D NAND，雖然發(fā)出時間晚于三星等上述幾家廠商，但后期美光的研發(fā)實力不容小覷。在2020年美光搶先推出當時業(yè)界首款176層3D NAND，后又于2022年7月率先推出全球首款232層NAND，該產(chǎn)品現(xiàn)已在美光新加坡工廠量產(chǎn)。美光表示，未來還將發(fā)力2YY、3XX與4XX等更高層數(shù)。

目前從原廠動態(tài)來看，SK海力士和美光率先進入200+層時代，其中NAND閃存業(yè)界最高層數(shù)為SK海力士的238層，其次是美光的232層。主流技術(shù)NAND Flash 3D堆疊層數(shù)已跨越176層、232層、邁進238層，未來原廠還將發(fā)力200+層、300層、400層、甚至500層以上NAND技術(shù)。

在2021年IEEE國際可靠性物理研討會上，SK海力士預(yù)測，3D NAND未來將達到600層以上。另有一些行業(yè)專家認為，3D NAND可以堆疊到1000層?？梢姡鬘AND Flash技術(shù)的天花板還有很高的距離。

Source：全球半導(dǎo)體觀察根據(jù)公開信息整理

NAND Flash未來既柳暗，又花明？

此前在5G手機、服務(wù)器、PC等下游需求驅(qū)動下，NAND Flash市場以可見的速度在增長?？山衲?，受疫情反復(fù)、通貨膨脹、俄烏沖突等因素影響，全球形勢變化多端。同時，存儲器市場供需與價格波動時刻受產(chǎn)業(yè)發(fā)展動態(tài)影響，而作為存儲器市場的主要構(gòu)成產(chǎn)品之一，NAND Flash也不例外。

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供需失衡

從消費端看，PC、筆電、智能手機等消費電子市場需求疲軟，也影響到中上游產(chǎn)業(yè)鏈。其中，智能手機需求萎縮明顯，出貨量也隨之減少。據(jù)TrendForce集邦咨詢表示，受到傳統(tǒng)淡季的加乘效應(yīng)，使得2022年第一季智能手機生產(chǎn)表現(xiàn)更顯疲弱，全球產(chǎn)量僅達3.1億支，季減12.8%。

業(yè)內(nèi)人士普遍認為，持續(xù)下降的最大原因是消費者使用智能手機的時間比以前更長。再加上智能手機技術(shù)更新快，新型號手機的性能與之前型號并無特別大的差距，從某種程度上看，這也降低了消費者的購買欲。

從供應(yīng)端來看，TrendForce集邦咨詢7月表示，由于需求未見好轉(zhuǎn)，NAND Flash產(chǎn)出及制程轉(zhuǎn)進持續(xù)，下半年市場供過于求加劇，包含筆電、電視與智能手機等消費性電子下半年旺季不旺已成市場共識，物料庫存水位持續(xù)攀升成為供應(yīng)鏈風(fēng)險。因渠道庫存去化緩慢，客戶拉貨態(tài)度保守，造成庫存問題漫溢至上游供應(yīng)端，賣方承受的拋貨壓力與日俱增。

TrendForce集邦咨詢預(yù)估，由于供需失衡急速惡化，第三季NAND Flash價格跌幅將擴大至8~13%，且跌勢恐將延續(xù)至第四季。

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原廠持堅定信念

受手機與個人電腦等消費電子市場需求疲軟等因素影響，美光于6月悲觀預(yù)測，今年第四財季營收為72億美元，上下4億美元浮動，這一數(shù)據(jù)低于業(yè)界預(yù)期；又于8月再度下調(diào)第四季度業(yè)績指引，該季度經(jīng)調(diào)整營收將位于或低于此前預(yù)計的68-76億美元區(qū)間下沿。

此前美光首席執(zhí)行官Sanjay Mehrotra在財報電話會議上表示，預(yù)計智能手機銷量將較去年下降約5%，而個人電腦銷量可能比去年下降10%，美光正在調(diào)整產(chǎn)量增長，以適應(yīng)需求的減弱。不過，TrendForce集邦咨詢8月在最新的研究指出，受到高通脹沖擊，全球?qū)τ谙M市場普遍抱持并不樂觀的態(tài)度，基于周期性的換機需求以及新興地區(qū)的新增需求帶領(lǐng)下，智能手機生產(chǎn)量仍會小幅上升。

SK海力士此前也預(yù)測，由于搭載存儲器的電腦和智能手機的出貨量將低于原來的預(yù)測，并且服務(wù)器用存儲器的需求也因客戶的庫存優(yōu)先出貨，預(yù)計下半年的存儲器出貨量將有所放緩。不過中長期來看，數(shù)據(jù)中心的存儲器需求將持續(xù)成長。

三星、SK海力士、美光、西部數(shù)據(jù)、鎧俠等存儲器原廠在最新財報中均表示雖然部分市場需求疲軟，但都堅定看好產(chǎn)業(yè)未來前景，各原廠保持堅定的信心也為存儲器市場掃去部分陰霾。

據(jù)TrendForce集邦咨詢最新研究顯示，NAND Flash仍處于供過于求狀態(tài)，但該產(chǎn)品與DRAM相較更具價格彈性，盡管預(yù)期明年上半年價格仍會走跌，但均價在連續(xù)多季下滑后，可望刺激enterprise SSD市場單機搭載容量成長，預(yù)估需求位元成長將達28.9%，而供給位元成長約32.1%。

結(jié) 語

長遠來看，NAND Flash市場前路雖柳暗，但花明。同時，NAND廠商馬不停蹄地研發(fā)，今年有的再上升一個臺階，有的還在停步研發(fā)，最終誰先觸抵NAND Flash層數(shù)天花板，我們靜待觀之。

審核編輯 ：李倩