3D NAND闪存市场，国产NAND闪存的缺失?

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前日，TrendForce 集邦咨询发布了2021年第三季度 NAND Flash 市场报告。第三季度得益于智能手机和服务器两大应用的强劲需求，NAND闪存芯片出货量增长近11%，平均销售单价增长近4%，行业总营收达188.8亿美元，环比增长15%。EmLesmc

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 2021年第三季度全球NAND Flash品牌厂商营收排行（单位：百万美元），来源：TREND FORCEEmLesmc

从营收来看，大部分厂商的营收较上一季度均有增加。从市场份额来看，前三大巨头三星、铠侠、SK海力士瓜分了约67%的市场份额，且较Q2的市场份额均有增加，头部厂商开始蚕食后面厂商的市场份额。EmLesmc

NAND闪存是存储器市场的第二大细分市场，占存储器市场规模的比例高达42%。2020 年，全球半导体市场规模 4402 亿美元，存储器市场规模为 1172 亿美元，NAND 闪存市场规模为 494 亿美元。EmLesmc

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 来源：IC InsightsEmLesmc

NAND闪存的市场规模与市场地位，注定了它的“不平凡”，技术迭代、产品更新，备受关注。EmLesmc

大势所趋：从2D到3D

自上世纪80年代NAND 闪存面世以来，NAND闪存技术至今发生了翻天覆地的变化。EmLesmc

之前，NAND闪存一直基于二维平面的NAND技术，也就是我们说的2D NAND闪存。2D 在平面上对晶体管尺寸进行微缩，从而获得更高的存储密度，但晶体管尺寸微缩遇到物理极限，现已面临瓶颈，达到发展极限。为了在维持性能的情况下实现容量提升，3D NAND 成为发展主流。3D NAND 把解决思路从单纯提高制程工艺转变为堆叠多层，成功解决了平面 NAND 在增加容量的同时性能降低的问题，实现容量、速度、能效及可靠性等全方位提升。2019 年，3D NAND 的渗透率为 72.6%，已远超 2D NAND，且未来仍将持续提高，预计 2025 年 3D NAND 将占闪存总市场的 97.5%。EmLesmc

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来源：International business strategiesEmLesmc

自从NAND 闪存进入3D时代，堆栈层数犹如摩天大楼一样越来越高，从最初的24/32层一路堆到了现在的128层甚至176层。层数越高，NAND闪存可具有的容量就越大。增加层数以及提高产量也是衡量技术实力的标准。EmLesmc

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来源：YoleEmLesmc

2019 年 64/72 层 3D NAND 产出比重 64.9%，为全球产出的主要部分，92层 3D NAND产出比重占总体的 21.3%。根据 DRAMeXchange 估计，随着 110+层闪存芯片的推出，92/96 层会被快速取代，产出占有率在 2020 年略微提升后逐步下降，预计 2023 年市场总产出的72.5%会被 110+层3D NAND闪存占据。据知情人士透露，明年，手机和消费类固态硬盘将越来越多地采用176层3D NAND闪存。EmLesmc

各大厂商纷纷采取措施，为尽可能多的占领市场的进行扩产，同时正在往更多层数进行技术迈进。EmLesmc

三星：创新“V-NAND”架构，抢占200+层先机

作为NAND闪存的龙头企业，三星与3D NAND闪存积缘已久，3D NAND 闪存之风，是从2013年的三星那里吹向世界的。2013年，三星设计了一种垂直堆叠单元的方法，它将单元集中在单个楼层（类似高层公寓）上，这也是全球首个3D单元结构“V-NAND”。三星当年推出的V-NAND通过3D堆叠技术可以实现最多24层die堆叠。此外，三星还宣布V-NAND闪存的写入速度及可靠性都有2倍以上的提高。EmLesmc

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来源：三星EmLesmc

三星的V-NAND闪存的技术进步就是放弃了传统的浮栅极MOSFET，改用自家的电荷撷取闪存（charge trap flash，简称CTF）设计。传统的浮栅极由于绝缘导致相邻单元格容易互相干扰，三星用绝缘的氮化硅薄膜充当电子的隔离层，将电子“关禁闭”而防止互相干扰，等需要读取时再“解禁”。这种隔离方法最大的优点是可以更大程度地降低存储单元格间电荷干扰，从而大大提升芯片的写入速度、增加芯片的P/E擦写次数。使用CTF结构的V-NAND闪存被认为是一种非平面设计，绝缘体环绕沟道（channel），控制栅极又环绕着绝缘体层。这种3D结构设计提升了储存电荷的的物理区域，提高了性能和可靠性。EmLesmc

3D V-NAND架构在NAND闪存历史的验证中不断成熟，三星也通过技术的更迭和产线的扩增，来维护自己在NAND闪存市场的王者地位。EmLesmc

三星的技术研发动作从未拖泥带水，去年，三星推出了领先的176层的第七代“V-NAND”。三星官方表示，与第六代 100 层 V-NAND 相比，第七代V-NAND单元体积减少35%，可在不增加模块高度的情况下放置176 层，同时还可以降低功耗，提高 16% 的效率，176层NAND闪存已量产；前日，在三星技术论坛上，三星抢先业界公布了第八代V-NAND的细节，堆栈层数超过200层，容量可达1Tbit，512GB容量的厚度也只有0.8mm，可用于手机，预计到明年下半年可量产。EmLesmc

除了技术之外，三星的产能扩张也跟上了步伐。前日，据《电子时报》援引消息人士称，三星电子也将在平泽第3工厂（P3）安装新的3D NAND芯片生产线，以提高176层3D NAND芯片产量，届时将拥有4万-5万片的月产能。EmLesmc

美光：首个量产176层3D NAND闪存，赢在起跑线

去年10月，美光宣布已量产全球首款176层3D NAND闪存。美光的176层3D NAND闪存是美光第五代3D NAND产品，通过应用专有的CuA（CMOS-under-array，CMOS阵列下）架构，结合采用替换栅极工艺和新单元结构的新阵列结构，实现了突破性的176层NAND创新。所有这些结合在一起，开创了具有高效CuA 3D架构的176层NAND。CuA技术在芯片的逻辑器件上构建了多层堆栈，将更多内存集成封装在更紧凑的空间中，极大缩小了 176 层 NAND 的裸片尺寸，提升了单片晶圆的存储容量。EmLesmc

与上一代的高容量3D NAND相比，美光176层3D NAND闪存的读取延迟和写入延迟改善超过35%，可大幅提高应用的性能。EmLesmc

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 来源：美光EmLesmc

美光抢先推出全球首个176层3D NAND，让厂商之间的技术竞争越发激烈。EmLesmc

铠侠：NAND技术与NIL技术双管齐下

与三星类似，铠侠与NAND 闪存的缘分可以追溯到上世纪80年代，铠侠的前身东芝存储研发出了NAND闪存。走过几十年，铠侠依旧站在NAND闪存的山顶上。EmLesmc

去年1月底，日本闪存芯片公司铠侠(Kioxia)和西部数据联合宣布，它们已经开发出第六代162层3D闪存技术，比上一代这次162层相比之前的112层闪存提升了10%的密度。EmLesmc

除了不断更新NAND 闪存技术外，铠侠也从光刻技术入手，与佳能、DNP合作研发纳米压印微影(NIL) 制程技术。相较于目前已商用化的EUV光刻技术，铠侠表示，NIL技术可大幅减少耗能，并降低设备成本。原因在于NIL技术的微影制程较为单纯，耗电量可压低至EUV 技术的10%，并让设备投资降低至仅有EUV 设备的40%。对铠侠来说，NAND 闪存因为采取3D 立体堆叠结构，更容易适应NIL技术制程。而铠侠也表示，当前已解决NIL 的基本技术问题，正在进行量产技术的推进工作，希望能较其他竞争对手率先引入到NAND 生产当中。EmLesmc

除了一心搞好技术之外，铠侠也通过新建工厂来提高产能。EmLesmc

今年5月份，铠侠估计将投资高达约2兆日圆（约183.7亿美元），加码投资助力提高3D NAND生产。铠侠计划在日本岩手县北上市新建K2工厂，计划2023年开始营运。目前铠侠已对邻近K1东侧及北侧约15万平方公尺的土地进行土地工程，除了投资K2厂房、设施，也含补充四日市工厂内设备的费用。此外，铠侠在日本四日市也正在新建Fab7工厂，该工厂的建设分为两个阶段，第一阶段的建设计划于2022年春季完成。EmLesmc

长江存储：实力与魄力并存

据民生证券2021年7月统计，中国是全球第二大NAND市场，占比约31%，但本土供应市占不足1%。EmLesmc

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 来源：民生证券研究院EmLesmc

但是，长江存储作为国内领先的存储厂商，不断缩短和世界领先水平的距离，将有望引领国产 NAND 产业崛起。EmLesmc

2017 年 10 月，长江存储成功设计并制造了中国首款 3D NAND 闪存。EmLesmc

2019 年 9 月，公司使用 Xtacking®1.0 架构闪存技术，成功量产 64 层 TLC 3D NAND 闪存。不同于传统 3D NAND 架构，Xtacking®技术属于自主创新。在传统 NAND 架构中，I/O 及记忆单元操作的外围电路和存储单元在同一片晶圆上制造。在长江存储 Xtacking®架构中，I/O 及记忆单元操作的外围电路被生产在一片晶圆上，而存储单元在另一片晶圆上被独立加工，当两片晶圆各自加工完成后，Xtacking®技术只需一个处理步骤即可通过数十亿根金属垂直互联通道（VIA，Vertical Interconnect Access）将二者键合接通电路，并封装到同一个芯片中。EmLesmc

之后，鉴于国际领先厂商已拥有100层以上的技术，因此长江存储决定跳过业界常见的96层，直接研发128层3D NAND。2020年4月，长江存储宣布成功研发128层3D NAND，128层3D NAND已在今年量产。EmLesmc

结语

1%的国产化率代表的不是国产NAND闪存的缺失，而是众多国内厂商正在努力追赶的技术之路。这条路可以走得慢，慢可以匠心钻研；但是也一定要努力走得快，快才能追赶得上日新月异的技术迭代。EmLesmc