“宇宙的尽头是铁岭”，那半导体科技的尽头在哪里？

3D NAND层数，越来越多

2022年是NAND闪存的35周年。IC Insights最新的预测数据显示，2022年NAND闪存资本支出将达到299亿美元，增幅8%，超过2018年278亿美元的历史最高记录。而299亿美元规模则占2022年整个集成电路行业资本支出1904亿美元的16%，仅落后于晶圆代工行业。 EL8esmc

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图片来源：IC InsightsEL8esmc

下表显示了几大NAND制造商的3D NAND层数主要计划：EL8esmc

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图片来源：Blocks & FilesEL8esmc

行业人士预测，三星电子将有望在现有176层3D NAND的基础上，于2022年底推出200层甚至更多层的第8代NAND闪存，并借此成为第一家通过在128层单堆栈中增加96层来发布224层NAND闪存的芯片制造商。与 176层相比，224层NAND闪存的生产效率和数据传输速度将提高30%。EL8esmc

美光176层3D NAND闪存自2020年11月批量出货以来，在数据中心、移动设备中得到了广泛采用。该公司计划在2022年末开始量产的232层NAND芯片采用3D TLC架构，原始容量为1Tb(128GB)。该芯片基于美光CuA(CMOS under array)架构，并使用NAND串堆叠技术在彼此之上构建两个3D NAND阵列。CuA架构设计加上232层NAND，大大减少了美光1Tb 3D TLC NAND存储器的裸片尺寸和生产成本，使美光能够具有芯片定价权。EL8esmc

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图片来源：美光EL8esmc

但美光没有公布232层 3D TLC NAND IC的I/O速度或平面数量，只是暗示与现有的3D NAND设备相比，新的内存将提供更高的性能和更低的功耗，这对采用PCIe 5.0接口的下一代SSD特别有用。而从美光公布的NAND技术路线图可以看出，在2YY层量产稳定后，美光将继续3XX架构开发，并积极探索4XX的实现路径。在此基础上，其3D NAND路线图也被规划到了500层。 EL8esmc

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图片来源：美光EL8esmc

据TechPowerup报道，西部数据与铠侠(Kioxia)合作开发的第六代162层BiCS Flash将会在今年量产，届时将可实现单片晶圆100TB容量的能力，相比2020年的70TB有所增加。接下来，双方计划在2024年推出堆叠层数200层以上的BiCS+产品，主要用于数据中心，有望比目前的第六代162层BiCS Flash传输速度提高60%，每片晶圆的容量也将提高55%。到2032年，将出现500层堆叠的NAND闪存。EL8esmc

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图片来源：西部数据EL8esmc

不过，铠侠方面此前在接受媒体采访时曾表示，也许很多人觉得层数是3D闪存容量最关键的参数，但这种看法并不完全正确，因为层数增加会带来制造成本的直线上升，而业界对性价比型的闪存需求一直存在。EL8esmc

SK海力士最新的3D NAND是512Gb 176层堆叠的3D NAND，随着对企业存储应用的日益关注，SK海力士预计将在2023年迁移到196层。不过在2021年3月的IEEE国际可靠性物理研讨会上，SK海力士CEO李锡熙说，“通过改进DRAM和NAND各个领域的技术发展，将来有可能实现10nm以下的DRAM工艺和堆叠600层以上的NAND。”EL8esmc

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图片来源：SK海力士EL8esmc

国内方面，长江存储用短短3年时间实现了从32层到64层再到128层的跨越，而近期据业内人士透露，长江存储已向少数客户交付了其内部开发的192层3D NAND闪存样品。EL8esmc

总的来看，闪存资本支出在2017年开始飙升，当时该行业正向3D NAND转型，此后每年都超过200亿美元。随着NAND闪存供应商准备从2022年底到2023年进入200层以上产品的竞争，一批NAND闪存工厂也进入了新建和升级名单中，包括：三星的Pyeongtaek Lines1和2(也用于DRAM和代工)；三星在西安的二期投资；铠侠在日本岩手的Fab6和FabK1，以及美光在新加坡的第三家闪存工厂。此外，SK海力士为其M15工厂的剩余空间配备了NAND闪存。EL8esmc

晶圆尺寸，越来越大

宽禁带半导体晶圆尺寸由6英寸向8英寸升级正成为行业趋势，最新的消息包括：EL8esmc

——4月26日，Wolfspeed宣布其位于美国纽约州莫霍克谷(Mohawk Valley)的SiC制造工厂正式开业，这是全球首座且规模最大的200mm SiC工厂；EL8esmc

——5月6日，半导体材料企业Soitec发布了其首款200mm碳化硅SmartSiC™晶圆；EL8esmc

——5月9日，业内消息称，联电近期正大举购置新机台，加速布局8英寸晶圆宽禁带半导体制造，预计下半年陆续进厂；EL8esmc

此外，在硅基氮化镓领域，泰科天润湖南生产线建设了全球首家8英寸硅基氮化镓IDM量产线，目前已经大规模出货。公司计划投资60亿元扩建苏州8英寸氮化镓研发生产基地，全线投产后将形成年产78万片功率控制电路及半导体电力电子器件的产能。而全球最大的8英寸硅基氮化镓晶圆制造商英诺赛科在完成30亿元的D轮融资之后，计划在2025年之前将月产能由当前的10000片/月提升到70000片/月。EL8esmc

与半导体行业发力12英寸硅晶圆的目标类似，由6英寸向8英寸的升级将有利于宽禁带半导体大幅降低成本。以碳化硅为例，和传统的硅器件相比，碳化硅生长缓慢，尺寸小(6英寸为主，少量8英寸有商业化，而硅则是12英寸)，因此成本居高不下。加之目前应用领域有限，而且是最近一两年才开始爆发式增长，因此产能的扩张明显落后于需求的增长，规模效应还没有发挥出来。EL8esmc

当前，宽禁带半导体制造商科锐、意法半导体、英飞凌、罗姆等SiC头部企业大多采用IDM模式，积极扩充产能是行业发展“关键词”。Trendforce集邦咨询的化合物半导体分析师龚瑞骄指出，“SiC衬底具有极高的产品附加值，另外其制程技术复杂，它的晶体生长速度也非常缓慢，是SiC晶圆产能的关键制约点。未来我们认为取得SiC衬底资源将是进入下一代电动车功率器件的入场门票。”EL8esmc

稍早之前，2022年2月，英飞凌宣布斥资逾20亿欧元，在马来西亚居林工厂建造第三个厂区。建成之后，新厂区将用于生产碳化硅和氮化镓功率半导体产品，每年可为英飞凌创造20亿欧元的收入。EL8esmc

ST也在继续投资扩建在意大利Catania和新加坡的SiC产能，计划到 2024年将SiC晶圆产能提高到2017年的10倍，以支持众多汽车和工业客户的业务增长计划。EL8esmc

罗姆在日本阿波罗筑后和宫崎新工厂将于2022年投入运营，预计可提高SiC器件产能5倍以上。此外，罗姆还将在2023年8月把马来西亚的半导体工厂产能扩大1.5倍，计划到2023年8月建成。EL8esmc

可以预见的是，随着IDM企业、晶圆代工企业与本土新兴势力的共同参与，宽禁带半导体的制造规模将得到进一步扩大，继而引发连锁效应，提升上游晶片、原材料、设备需求量的同时，大幅降低规模化生产成本。EL8esmc

PMIC芯片，8英寸转向12英寸

据台湾电子时报报道称，多个采用8英寸晶圆制程工艺的电源管理芯片产品已转向12英寸，且高通、苹果、联发科等大客户进入12英寸制程后已陆续放弃此前争取到的8英寸产能。EL8esmc

消息人士称，随着高通和联发科等寻求转向12英寸制造电源管理芯片，二三线晶圆厂将在2023年释放更多可用的8英寸产能，虽然今年晶圆代工产能不会松动，但2023年二三线代工厂有望空出更多8英寸产能。EL8esmc

根据集邦咨询的调研，大部分PMIC基于8英寸0.18-0.11微米工艺制造。早在疫情之前，8英寸产能的紧缺就暴露了出来。2016前后，电动车等新应用刺激出大量包括PMIC在内的“小芯片”需求，让本该被12英寸替代的8英寸产能落入紧缺。2020年缺芯潮爆发，加剧了这一结构性短缺，导致包括PMIC在内的一系列小芯片严重缺货涨价。EL8esmc

芯片厂对于8英寸晶圆的扩产，主要是用“去瓶颈化”的方式增加少量产能。据集邦咨询预测，2020至2025年全球前十大晶圆厂8英寸等效晶圆产能复合年增长率仅3.3%，相比之下12英寸的年增量是10%。由此可见，各厂扩产重心早就放在12英寸之上。EL8esmc

制程工艺，越来越小

3nm工艺是2022年晶圆代工业竞争的重点。EL8esmc

台积电在最新的3nm工艺上继续选择采用FinFET晶体管架构，主要基于两方面的考虑：一是希望通过研发团队的不断创新，用新的方式持续提升FinFET的性能；二是希望客户能够尽快的无缝升级技术和产品以获得更优的体验。与5nm相比，预计将于2022年下半年开始量产的3nm工艺速度提升10%-15%，功耗降低25%-30%，逻辑密度是前者的1.7倍，SRAM密度提升20%，模拟密度提升了10%。 EL8esmc

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图片来源：台积电EL8esmc

而三星电子的计划是在2022年上半年开始生产首批3nm芯片，第二代3nm芯片预计将于2023年开始生产。三星电子3nm GAA工艺将采用MBCFET晶体管结构，与5nm工艺相比，面积减少35%，性能提高30%，功耗降低50%。根据规划，三星将于2025年推出基于MBCFET的2nm工艺，而台积电的规划则是在2025年如期量产2nm晶圆。EL8esmc

在2021年引入新制程节点命名之后，英特尔的Intel 4将在2022年下半年投产，并于2023年出货，这些产品包括面向客户端的Meteor Lake和面向数据中心的Granite Rapids；将于2023年下半年开始量产的Intel 3，凭借FinFET的进一步优化和在更多工序中增加对EUV使用，较之Intel 4将在每瓦性能上实现约18%的提升，在芯片面积上也会有额外改进。EL8esmc

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近日，有媒体报道称，台积电宣布启动1.4nm芯片制程工艺的开发，将在今年6月将其3nm工艺研发团队转为1.4nm工艺研发团队。而与此同时，有消息称，三星对此也将采取相应措施。EL8esmc

不过，相比之下，英特尔的规划则更为激进，将在2024年推出的Intel 20A和将于2025年初推出的Intel 18A将标志着半导体制造业“开启埃米时代”。EL8esmc