在日前的第 70 屆 IEEE 國際固態(tài)電路會議 (ISSCC) 期間，韓國存儲芯片大廠 SK 海力士（SK Hynix）展示了最新300 層堆疊第 8 代 3D NAND Flash的原型，令與會者大吃一驚。

SK海力士在會議在發(fā)表會的標(biāo)題訂為 “高密度存儲和高速接口”，其中描述了該公司將如何提高固態(tài)硬盤的性能，同時降低單個 TB 的成本。

性能提升，成本降低

據(jù)介紹，SK海力士第 8 代 3D NAND 堆疊超過 300 層，容量為 1Tb（128GB），具有 20Gb/mm2 單位容量、16KB 單頁容量（page size）、擁有四個 planes，接口傳輸速率為2400 MT/s。最大數(shù)據(jù)傳輸速率將達到 194 MB/s，相較上一代 238 層堆疊和 164 MB/s 傳輸速率的第七代 3D NAND Flash高出 18%。而在更快的輸入和輸出速度下，有助于 PCIe 5.0 x4 或更高的接口利用率。

新 NAND 的位密度增加近一倍，意味著將顯著提高新制造節(jié)點的每晶圓生產(chǎn)率，也將降低 SK 海力士的成本，只是尚不清楚具體程度。

據(jù) SK 海力士研發(fā)團隊的說法，第 8 代 3D NAND Flash 采用了 5 項嶄新的技術(shù)。

首先，其擁有三重驗證程序(TPGM) 功能可縮小單元閾值電壓分布，并將 tPROG （編程時間） 減少 10%，從而轉(zhuǎn)化為更高的性能。

其次，采用 Adaptive Unselected String Pre-Charge (AUSP) 技術(shù)，再將 tPROG 降低約 2% 。

第三，APR方案可將讀取時間降低約 2%，并縮短字線上升時間。

第四，編程虛擬串 (PDS) 技術(shù)可藉由降低通道電容負載來縮短 tPROG 和 tR 的界線穩(wěn)定時間。

最后，平面級讀取重試 (PLRR) 功能，允許在不終止其他平面的情況下，更改平面的讀取級別。之后，立即發(fā)出后續(xù)讀取命令，并提高服務(wù)質(zhì)量 (QoS)，從而提高讀取性能。

由于 SK 海力士針對新產(chǎn)品還在開發(fā)中，因此該公司尚未透露生產(chǎn)最新一代 3D NAND Flash 的量產(chǎn)時間。盡管如此，分析師預(yù)計該300層3D NAND Flash將于 2024 年年底或者 2025 年年初上市發(fā)售。

存儲最大兩個分類

存儲器是集成電路市場的“大宗商品”，體量巨大，據(jù)WSTS統(tǒng)計，2021 年全球存儲器市場規(guī)模為1538.38億美元，同比增長30.9%，在全球集成電路市場占比達到33%。從存儲器的市場發(fā)展趨勢來看，盡管呈現(xiàn)出周期波動的特征，但總體增長趨勢明顯。

總體來看，應(yīng)用范圍最廣的存儲器主要包括四大類：DRAM，NAND Flash，NOR Flash和EEPROM。按照市場規(guī)模劃分，可歸納為“兩大兩小”，其中，“兩大”是DRAM和NAND Flash，“兩小”是NOR Flash和EEPROM。

據(jù)IC Insights統(tǒng)計，2021年全球存儲芯片市場中，DRAM占比達56%，NAND Flash占比約為41%，NOR Flash占比約為2%，EEPROM占比與NOR Flash屬于同一量級，明顯低于DRAM和NAND Flash。

DRAM結(jié)構(gòu)簡單、存儲容量大，廣泛應(yīng)用于計算機內(nèi)存，是市場規(guī)模最大的存儲芯片。SDRAM是同步DRAM，能夠與CPU系統(tǒng)時鐘同步，是DRAM的主流。目前，DDR4 SDRAM占據(jù)了主流市場，相比DDR3，DDR4能將性能和帶寬提升50%，同時降低功耗。DDR5也在市場拓展過程當(dāng)中，其最高內(nèi)存?zhèn)鬏斔俾士蛇_6.4Gbps，比DDR4性能更強、功耗更低，具有很好的發(fā)展?jié)摿?。此外，LPDDR以低功耗為特色，在智能手機等移動終端上廣泛應(yīng)用。

NAND Flash適用于大容量數(shù)據(jù)的存儲（通常為1Gb-1Tb），且能夠?qū)崿F(xiàn)快速讀寫和擦除。NAND Flash在大容量下具有成本優(yōu)勢，是大容量非易失存儲的主流技術(shù)方案，廣泛應(yīng)用于通信設(shè)備、消費電子、汽車電子等領(lǐng)域。

與DRAM類似，智能手機和PC是NAND Flash的主要應(yīng)用市場，數(shù)據(jù)中心和汽車電子需求在不斷提升。

全球NAND Flash市場由三星電子、鎧俠、西部數(shù)據(jù)、美光、SK海力士主導(dǎo)，其中，三星市占率最高，達到34%。

工藝方面，傳統(tǒng)NAND Flash是2D結(jié)構(gòu)的，近些年，3D結(jié)構(gòu)興起，且大量蠶食2D NAND市場，3D NAND通過多層垂直堆疊技術(shù)，既能夠提高單位面積存儲密度，又能改善存儲單元性能，且成本可控。三星電子于2013年率先開發(fā)出24層3D NAND，2020年，176層3D NAND問世，2022年，美光宣布232層3D NAND實現(xiàn)量產(chǎn)，成為全球首款突破 200層的NAND Flash芯片。


DRAM工藝將重構(gòu)存儲格局

數(shù)十年來，摩爾定律一直是業(yè)界崇尚的黃金法則，也一直是半導(dǎo)體性能和成本的驅(qū)動因素。早前的DRAM可以滿足業(yè)界需求，但隨著摩爾定律推進速度放緩，DRAM工藝也步入了技術(shù)瓶頸期。

從技術(shù)進度上看，目前DRAM芯片工藝已經(jīng)突破到了10nm級別。2022年11月中旬，美光已實現(xiàn)1β DRAM（第五代10nm級別DRAM）量產(chǎn)，據(jù)悉，該公司正在對下一代1γ（gamma）工藝進行初步的研發(fā)設(shè)計。而三星的技術(shù)路線圖預(yù)計，2023年進入1b nm（第五代10nm級別DRAM）工藝階段。針對DRAM芯片，隨著晶體管尺寸越來越小，芯片上集中的晶體管就越多，這意味著一片芯片能實現(xiàn)更高的內(nèi)存容量。

雖然10nm還不是DRAM的最后極限，但多年來DRAM的擴展速度明顯放緩，新的DRAM節(jié)點也只是縮小一小部分，3D DRAM順勢成為了存儲廠商迫切想突破DRAM工藝更高極限的新路徑。

DRAM工藝突破放緩的原因主要在于存儲單元的簡潔結(jié)構(gòu)——由一個用于存儲電荷的電容器和一個用于訪問電容器的晶體管組成。業(yè)界的思路也就是顛覆這種結(jié)構(gòu)，并輔以特殊的材料，從而走向創(chuàng)新。

便于增強我們理解這種創(chuàng)新方式的，便是能與DRAM相媲美的存儲器技術(shù)NAND Flash，后者早已抵達3D世界，并且如今還跨至4D空間。

當(dāng)前對于克服DRAM物理局限性有著一定的緊迫性。此前，業(yè)界一直在嘗試減小電路線寬，來提高DRAM芯片的密度。通常來說，線寬越小，晶體管越多，集成度越高，功耗越低，速度越快。

此方法的確是達到了效果，但隨著線寬進入10nm范圍，電容器漏電和干擾等物理限制的問題卻明顯增加。為了補救這種情況，業(yè)界還引入了high-k材料和極紫外（EUV）設(shè)備等新材料和新設(shè)備。但顯然，在制造10nm或更先進的小型芯片中，現(xiàn)有的這些技術(shù)讓芯片制造商顯得心有余而力不足。

在大環(huán)境需求和供給的沖突逼迫下，讓DRAM平面2D升至3D逐漸成為了業(yè)界追求技術(shù)突破的共識。

所謂3D DRAM，其實是一種將存儲單元（Cell）堆疊至邏輯單元上方的新型存儲方式，從而可以在單位晶圓面積上實現(xiàn)更高的容量。

針對3D DRAM的構(gòu)想，BeSang公司曾經(jīng)向外公布了3D Super-DRAM技術(shù)方案。據(jù)官網(wǎng)介紹，平面DRAM是內(nèi)存單元數(shù)組與內(nèi)存邏輯電路分占兩側(cè)，3D DRAM則是將內(nèi)存單元數(shù)組堆棧在內(nèi)存邏輯電路的上方，因此裸晶尺寸會變得比較小，每片晶圓的裸晶產(chǎn)出量也會更多。

而平面DRAM的工藝微縮會越來越困難，其中的關(guān)鍵要素是儲存電容的高深寬比。通常來說，儲存電容的高深寬比會隨著組件工藝微縮而呈現(xiàn)倍數(shù)增加。所以從原理上看，3D DRAM可以有效解決平面DRAM當(dāng)前的困境。

而令業(yè)界關(guān)心的成本問題，3D DRAM使用的3D堆棧技術(shù)將實現(xiàn)可重復(fù)使用儲存電容，可有效降低單位成本。未來，DRAM從傳統(tǒng)2D發(fā)展至3D立體，將是大勢所趨，這對于存儲器市場來說，也將迎來一種擁有全新結(jié)構(gòu)的存儲芯片。


車載存儲將成為重要市場

隨著自動駕駛等級的提升，以及車載信息娛樂系統(tǒng)(IVI)、多攝像頭視覺處理、長壽命電池和超高速5G網(wǎng)絡(luò)的引入，車內(nèi)車外數(shù)據(jù)流量大大提升，超大計算處理成為必需品，相應(yīng)地大容量數(shù)據(jù)緩存(DRAM、SRAM)、存儲(NAND)和其他存儲(NOR Flash、EEPROM等)需求大幅增長。

據(jù)統(tǒng)計，2020年全球車載存儲市場規(guī)模約46億美元，在整體存儲市場占比不足5%，但成長速度較高，2016-2020年復(fù)合增速為11.4%，預(yù)計隨著汽車智能化水平的提升，車載存儲市場提速增長，主要體現(xiàn)在DRAM(尤其是新能源車用的 LPDDR)、NAND等需求高速增長，2021年車載存儲市場將達到56.6億美元，2025年增長至119.4億美元，2021-2025年復(fù)合增速為21.0%。從結(jié)構(gòu)看，車載存儲市場以DRAM和NAND為主，占比分別為57%和23%，其他小類的存儲芯片如NOR Flash、SRAM和EPROM/EEPROM也在車內(nèi)有廣泛應(yīng)用。不難預(yù)測，伴隨汽車智能化驅(qū)動數(shù)據(jù)存儲需求增加，車載存儲市場有望提速增長。

此外，隨著自動駕駛等級提升，用于收集車輛運行和周邊環(huán)境數(shù)據(jù)的各類傳感器將會越來越多，包括攝像頭、毫米波雷達、激光雷達等，OTA(空中下載技術(shù))、V2X(vehicle-to-everything)等網(wǎng)絡(luò)通信功能也將產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。英特爾估計自動駕駛汽車每天將產(chǎn)生4000GB的數(shù)據(jù)量。即使低等級自動駕駛的車輛也需要大量車載數(shù)據(jù)存儲。因為座艙IVI系統(tǒng)正逐步搭配更多大尺寸、高分辨率屏幕。根據(jù)中國閃存市場預(yù)測，L4、L5的汽車將配備40GB 以上的DRAM和3TB以上的NAND Flash，該配置遠高于當(dāng)前的智能手機。目前來看，單車DRAM和NAND Flash容量有著巨大的提升空間。

從國內(nèi)市場狀況來看，國內(nèi)存儲芯片需求龐大，市場規(guī)模超全球的1/3，但自給率不足5%。根據(jù)IDC數(shù)據(jù)，中國半導(dǎo)體市場規(guī)模占全球份額從2005年的12.2%增至2020年的36.6%，躍居全球第一。2020年中國市場中，存儲芯片(包括DRAM和NAND)市場規(guī)模為429億美元，占中國半導(dǎo)體市場規(guī)模的30%，占全球存儲芯片市場規(guī)模的35%。

縱觀日本、韓國存儲芯片產(chǎn)業(yè)的崛起歷程，產(chǎn)業(yè)大背景、新興產(chǎn)業(yè)需求和政策扶持是存儲產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必要條件。當(dāng)前，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)向中國轉(zhuǎn)移，中國大陸也已經(jīng)建立了完善全面的電子系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈體系。除去PC、手機等傳統(tǒng)消費電子場景，物聯(lián)網(wǎng)、AI、智能車、云計算等眾多新興市場也在興起。因此，龐大內(nèi)需及新興應(yīng)用已為國產(chǎn)存儲芯片廠商提供了發(fā)展基礎(chǔ)，而政策扶持下的供應(yīng)鏈國產(chǎn)化可為其提供助力。