NAND Flash的技术发展与产能情况分析

杨慧明

电子信息领域

  • 2019-03-14
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目前原厂进入3D NAND时代,64层3D技术产出大增且96层3D技术将进一步提高产量。由于原厂之间竞争加剧,产能由扩产变减产,预计2019年存储密度增长率将下滑。我国存储产业落后,国家大力支持存储产业的发展,国内企业投资、建厂动作不断。

  摘要:目前原厂进入3D NAND时代,64层3D技术产出大增且96层3D技术将进一步提高产量。由于原厂之间竞争加剧,产能由扩产变减产,预计2019年存储密度增长率将下滑。我国存储产业落后,国家大力支持存储产业的发展,国内企业投资、建厂动作不断。

  原厂进入3D NAND时代

  随着3D技术的快速发展,2018年NAND Flash厂商三星、东芝/西部数据、美光/英特尔等原厂的3D NAND生产比重己超过80%,美光甚至可达90%,但由于2018年第四季度为淡季,原厂减缓Wafer产出,预估2018年全年NAND Flash存储密度为2260亿GB当量,较2017年增长40%。2018年NAND Flash的供应增加,主要有两点因素,一是为了补足2016年及2017年NAND Flash市场供应的缺口,满足数据的日益增长的需求,二是由于3D技术的发展,实现了单颗Die容量的大增。

全球NAND Flash储存密度增长趋势

  图1 全球NAND Flash储存密度增长趋势(单位:Billion/GB)

 (资料来源:中国闪存市场)

  64层3D技术产出大增 96层3D技术将进一步提高产量

  2018年,美光/英特尔、东芝/西部数据、SK海力士、三星等NAND Flash厂商合力推动64层/72层的3D NAND技术成为主流,专注于逐步提高3D堆叠层数增加单颗Die的容量,同时缩小Die尺寸提高Wafer晶圆Die的产出量。

  采用64层3D NAND技术,一片Wafer晶圆(12英寸)约可切割出1000颗256Gb的Die,相较于1znm工艺2D技术每片切割出600多颗128Gb的Die,不仅容量翻倍,而且单颗Die的总数还增加了超过60%,既有利于增加NAND Flash的产量,也可以降低其生产成本。

  为了持续提高成本竞争力,确保先进技术在市场上的领导优势,三星、东芝/西部数据在2018年Q3量产96层256Gb和512Gb TLC NAND抢占先机,美光/英特尔、SK海力士96层技术则在2018年四季度投产。2018下半年是原厂96层3D技术量产初期阶段,由于良率不高,一片Wafer晶圆(12英寸)大约可以切割出750颗512Gb的Die,虽然单颗Die的总量不及64层/72层技术,但总GB量仍增加了50%。

  预计2019年,96层技术将成为NAND Flash厂商的主流量产技术,随着技术的不断发展,量产良率也将逐渐提高,尤其是单颗Die从512Gb量产,且向ITb容量升级,预计2019年NAND Flash存储密度将进一步增长至3100亿GB当量。

原厂3D技术发展趋势

  图2 原厂3D技术发展趋势

  (资料来源:中国闪存市场)

  表1 Wafer晶圆产能分析

Wafer晶圆产能分析  

  (资料来源:中国闪存市场)

  原厂产能由扩产变减产 2019年存储密度增长率将下滑

  2018年以来,美光/英特尔、东芝/西部数据、SK海力士、三星等NAND Flash厂商不但在96层以及QLC创新技术上竞争十分激烈,而且还在投资、建厂、扩产等方面开展竞争。

  2018年三星投资70亿美元启动中国西安二期生产项目,预计将于2019年三季度投产。三星平泽工厂一楼己实现3D NAND的量产,满载月产能可达10万片,二楼分东、西产线,用于生产DRAM和NAND Flash,满载月产能可达20万片。三星方面表示未来5年内将投资30兆韩元用于提高平泽厂的生产能力。

  2018年6月东芝完成向贝恩资本所牵头财团出售存储芯片业务的交易,TMC也将在2019年从东芝总部大楼迁出,开始独立经营,并投资1400亿日元用于Fab 6工厂洁净室的设备安装,该工厂己在2018年三季度生产96层3D NAND,还投资约70亿日元在岩手县新建Fab 7工厂,预计将在2019年完成,2020年开始量产。东芝合作伙伴西部数据将在未来3年内投资5000亿日元,用于四日市Fab6和Fab7工厂的建设。

  美光在新加坡除了Fab10N和Fab10×工厂,还投资数十亿美元新建Fab10三期工厂和扩大研发团队,预计将在2019年中完工,Q4初期投产,2020年逐渐增加产出。英特尔投资的大连工厂二期项目,从2018年Q3正式量产96层3DNAND为了满足工业、物联网、汽车等领域对存储芯片的需求,美光还规划2030年前投资30亿美元扩建美国弗吉尼亚州Manassas的工厂,用于洁净室的扩建,预计将于2019年秋季完成,并将于2020年上半年投产。

  SK海力士投资兴建的清州M15厂在2018下半年完成洁净室安装,预计从2019年QI开始持续扩大投产量,还投资3.5兆韩元在利川新建M16工厂,预计2020年底投产。此外,SK海力士在重庆投资12亿美元扩建NAND Flash封装测试二期项目,预计将在2019上半年完工。

  原厂产能竞赛如火如荼时,市场需求却在2018年四季度骤降,尤其是苹果iPhone销量不佳,使得淡季更显疲软,再加上全年消费类NAND Flash价格大跌65%原厂不得不改变策略,西部数据减少wafer产出量,并减缓下一步96层3DNAND扩产计划,三星则缩减平泽工厂二楼的生产规模,美光将2019年投资预算从之前预估的105亿美元下修至90亿美元。因为原厂的策略发生变化,预计2019年存储密度约为3100亿GB当量,增长率约35%。

  中国大力发展存储产业 企业投资、建厂动作不断

  目前我国存储产业薄弱,国家鼓励存储产业的发展。在3D NAND产品线的布局上,国内的一批具有实力的企业分别从技术研发、产品创新、大数据方案等方面寻求突破,其中的代表有兆易创新、长江存储、合肥长鑫、紫光存储、东芯半导体、紫光西部数据等。

中国存储产业发展布局重要环节 

  图4 中国存储产业发展布局重要环节

  (资料来源:中国闪存市场)

  在3D NAND方面,长江存储专注于3D NAND研发,已于2018下半年发布突破性的技术—XtackingTM,该技术将于2019年三季度引入到64层3D NAND的量产中,还计划将于2020年推出128层堆叠3D NAND,紧跟国际主流厂商的脚步。在产能方面,长江存储武汉存储基地一期工厂已经于2018下半年进行少量32层3D NAND的生产,并将在2019下半年量产64层3D NAND,该工厂满载月产能可达15万片。目前长江存储己启动武汉存储基地二期扩产项目的建设,项目投资为17.8亿美元,建成后将进一步扩大武汉存储基地的生产规模。

  除了武汉存储基地,成都与南京的存储基地也在有条不紊的建设中。其中紫光成都存储制造基地的项目总投资约为240亿美元,将用于建设12英寸3D NAND存储晶圆生产线,该基地瞄准国内高端集成电路产品的设计、制造等薄弱环节,进行存储芯片及模块、解决方案等关联产品的研发、制造及销售;紫光南京集成电路基地项目一期投资约为105亿美元,项目总投资超过300亿美元,计划将于2019年建成,主要用来生产3D NAND、DRAM等存储芯片,月产能可达10万片。

  虽然中国存储产业起步较晚,但发展较快。随着武汉二期、南京、成都等存储基地的开工,将进一步推动我国存储产业的发展。

  结语

  目前存储产业技术发展较快,产业竞争激烈。我国存储产业起步较晚,技术储备不足,国产化率低。2018年福建晋华遭受“禁售+诉讼”双重打击,给国内诸多存储企业的发展敲响了警钟,国产储存芯片的发展任重而道远。

 

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