在日本福島外海發(fā)生7.3 級(jí)強(qiáng)震之后，日本半導(dǎo)體廠商因?yàn)橹袛嗌a(chǎn)期間所造成的產(chǎn)品減少供應(yīng)，其已對(duì)當(dāng)前 NAND Flash市場(chǎng)供應(yīng)吃緊造成了影響，這將使得NAND Flash的報(bào)價(jià)可能較之前進(jìn)一步的提高。

NAND Flash的缺貨漲價(jià)是當(dāng)前半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的縮影。近年來(lái)，存儲(chǔ)芯片一直都是集成電路市場(chǎng)份額占比較大的類別產(chǎn)品，2018年存儲(chǔ)芯片占全球集成電路市場(chǎng)規(guī)模的比例高達(dá)40.21%，成為全球集成電路市場(chǎng)銷售份額占比最高的分支。

在當(dāng)前全球芯片缺貨漲價(jià)背景下，NAND Flash行業(yè)現(xiàn)狀如何？隨著消費(fèi)端對(duì)大容量3D NAND的需求增大，SLC NAND的市場(chǎng)份額會(huì)被進(jìn)一步擠壓甚至替代嗎？國(guó)內(nèi)廠商如何在國(guó)際大廠策略調(diào)整下助力SLC NAND完成“華麗轉(zhuǎn)身”？

底層設(shè)計(jì)差異

1989年，東芝推出了NAND Flash架構(gòu)，從此開(kāi)啟了存儲(chǔ)領(lǐng)域的新篇章。

作為非易失性存儲(chǔ)芯片，NAND Flash具有存儲(chǔ)容量大、寫入/擦除速度快等特點(diǎn)，非常適合存儲(chǔ)信息，一經(jīng)問(wèn)世，就廣泛地應(yīng)用于通訊設(shè)備、消費(fèi)電子、汽車電子等領(lǐng)域。NAND Flash 閃存從產(chǎn)品設(shè)計(jì)上可以分為以下幾類，分別為平面的SLC NAND、MLC NAND、TLC NAND、QLC NAND和立體的3D NAND。

如上圖所示，SLC（Single-Level Cell, SLC ）NAND和NOR FLASH的區(qū)別如下。

在NOR閃存中，每個(gè)存儲(chǔ)器單元的一端連接到源極線，另一端直接連接到類似于NOR門的位線。在NAND閃存中，幾個(gè)存儲(chǔ)器單元（通常是8個(gè)單元）串聯(lián)連接，類似于NAND門。一方面，與NOR閃存相比，NAND閃存具有更小的單元尺寸和更高的寫入和擦除速度。

另一方面，與NOR閃存相比，NAND閃存的密度要高得多，主要是因?yàn)槠涿勘忍爻杀据^低。NAND閃存通常具有1Gb至16Gb的容量。由于NAND Flash具有更高的密度，因此主要用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用。

最初問(wèn)世時(shí)的SLC NAND設(shè)計(jì)架構(gòu)，每個(gè)Cell單元存儲(chǔ)1bit信息，也就是只有0、1兩種電壓變化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電壓控制快速，反映出來(lái)的特點(diǎn)就是壽命長(zhǎng)，性能強(qiáng)，擦寫壽命可達(dá)10萬(wàn)次。MLC、TLC和QLC每個(gè)單元存儲(chǔ)的信息依次遞增，電壓變化隨存儲(chǔ)信息增加呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，但相應(yīng)的P/E壽命隨之減少。

不管是SLC NAND還是其他三種NAND，它們都存在“閃存的縮放限制”。而為了打破“閃存的縮放限制”枷鎖，提供高容量、低成本的NAND Flash，不少企業(yè)研發(fā)解決了多種方案，其中就包括3D NAND。平面NAND是由有存儲(chǔ)單元的水平串組成，而在3D NAND中，存儲(chǔ)單元串被拉伸，折疊并以U形結(jié)構(gòu)垂直豎立，單元以垂直方式堆疊來(lái)縮放密度。3D NAND存儲(chǔ)單元類似一個(gè)微小的圓柱狀結(jié)構(gòu)，微小單元由中間的垂直通道組成，中間是結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電荷層，通過(guò)施加電壓，電子被帶入絕緣電荷存儲(chǔ)膜中和從中取出，信號(hào)就被讀取。

以三星為例，由浮動(dòng)?xùn)沤Y(jié)構(gòu) (Floating Gate) 遷移至電荷擷取閃存（ 2D CTF），將 2D CTF存儲(chǔ)單元 3D 化變成3D CTF存儲(chǔ)單元，最后通過(guò)工藝技術(shù)提升逐漸往上增加存儲(chǔ)單元的層數(shù)，把存儲(chǔ)單元像蓋大樓一樣越堆越高。

SLC NAND和3D NAND，誰(shuí)強(qiáng)誰(shuí)弱？

“SLC NAND和3D NAND不同的底層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定了產(chǎn)品性能上的差異。”存儲(chǔ)行業(yè)資深人士指出，“SLC NAND在38nm工藝上可以做到10萬(wàn)次的擦除，3D NAND由于結(jié)構(gòu)的原因，它不可能做到SLC NAND這樣高可靠性的擦除。”

SLC NAND產(chǎn)品的底層設(shè)計(jì)決定了它比其他NAND的可靠性高、使用壽命長(zhǎng)，是新一代汽車、工業(yè)及物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用的理想選擇，可為那些工作在惡劣環(huán)境、溫差大，又需要長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠運(yùn)行的應(yīng)用提供了理想的解決方案。

出于產(chǎn)量考慮，NAND閃存隨附著散布的壞塊，隨著擦除和編程周期在NAND閃存的整個(gè)生命周期中持續(xù)，更多的存儲(chǔ)器單元變壞。因此，壞塊處理是NAND閃存的強(qiáng)制性功能。

可靠性的另一個(gè)方面是數(shù)據(jù)保留，這方面，SLC NAND閃存可以提供10年的典型數(shù)據(jù)保留。

據(jù)悉，串口SPI NAND為過(guò)去使用NOR Flash（SPI）需要可靠性要求高、小封裝，又難以接受大容量NOR的高成本應(yīng)用提供了完美的代碼及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的解決方案；而并口的SLC NAND產(chǎn)品則適用于需要更高帶寬的應(yīng)用。

不過(guò)，SLC NAND的“缺點(diǎn)”也明顯——容量小。“在容量方面，顯而易見(jiàn)，全世界做得最大的SLC NAND的容量最高能做到16Gb；而3D NAND的起步容量就可達(dá)512Gb。”業(yè)內(nèi)人士向集微網(wǎng)指出。

3D NAND是從立體空間上解決容量的方案，采用類似于建樓的方式層層堆疊。但堆疊的層數(shù)越多，其穩(wěn)定性挑戰(zhàn)越大。目前，三星、SK海力士等大廠都在投入巨大的資金解決這個(gè)技術(shù)難題。

概而言之，兩類NAND各有千秋，SLC NAND勝在產(chǎn)品可靠性，而3D NAND在容量方面更具優(yōu)勢(shì)。

新形勢(shì)下，SLC NAND“華麗轉(zhuǎn)身”機(jī)遇在哪？

產(chǎn)品性能上的差異，也直接決定了他們市場(chǎng)應(yīng)用的不同。“SLC NAND主要針對(duì)基站、PON,路由器等通訊設(shè)備，監(jiān)控安防領(lǐng)域，近年來(lái)低功耗的SPI NAND也開(kāi)始進(jìn)入了以智能手環(huán)為代表的穿戴式設(shè)備市場(chǎng)。而3D NAND則主打以智能手機(jī)和平板電腦的e.MMC，UFS的嵌入式產(chǎn)品，固態(tài)硬盤SSD以及USB Disk等大容量存儲(chǔ)市場(chǎng)。”行業(yè)人士指出，“雖然SLC市場(chǎng)份額不大，但也因?yàn)樾阅懿町悰Q定了它們的市場(chǎng)定位，所以3D NAND和SLC NAND之間是不可能取代彼此的位置。”

SLC NAND除了在嵌入式市場(chǎng)的廣泛采用，近期也隨著4G功能手機(jī)的熱銷而進(jìn)入了功能手機(jī)的BOM中，繼續(xù)發(fā)揮著存儲(chǔ)資料信息的作用。另外，隨著全世界5G基站的建設(shè)熱潮，在5G CPE的產(chǎn)品中也出現(xiàn)了SLC NAND的身影。

此外，汽車電子成為中小容量SLC NAND重要驅(qū)動(dòng)力量。隨著消費(fèi)者對(duì)駕駛安全性、舒適性的需求不斷提升，以及相關(guān)政策的推動(dòng)，汽車智能化正迎來(lái)快速發(fā)展時(shí)期。

在汽車系統(tǒng)中，從先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)到完全自動(dòng)駕駛，復(fù)雜的汽車應(yīng)用將更需要高容量的閃存，這對(duì)設(shè)計(jì)者而言，成本的考慮變得相對(duì)重要許多。NAND Flash相比NOR Flash單位成本來(lái)說(shuō)具有優(yōu)勢(shì)，能夠?yàn)檩^大容量車規(guī)級(jí)閃存提供良好的解決方案，這也將是SLC NAND的“用武之地”。Gartner預(yù)計(jì)至2024年，全球ADAS領(lǐng)域的NAND Flash存儲(chǔ)消費(fèi)將達(dá)41.5億GB，2019-2024年復(fù)合增速將達(dá)79.8%。

從全球NAND廠商來(lái)看，2019 年全球 NAND Flash 市場(chǎng)中，三星電子、鎧俠、美光科技和海力士等廠商，均在 NAND Flash市場(chǎng)占據(jù)了很大的市場(chǎng)份額。國(guó)外廠商憑借先發(fā)優(yōu)勢(shì)以及在終端市場(chǎng)建立了優(yōu)勢(shì)。

不過(guò)，目前海外大廠正在全力擴(kuò)建3D NAND產(chǎn)能，在SLC NAND的供給策略已有所變化，因此這也給SLC NAND的國(guó)內(nèi)廠商騰出了發(fā)展空間。

業(yè)內(nèi)人士指出，“海外供應(yīng)商在NAND FLASH的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)主要還是集中于3D NAND，3D NAND的應(yīng)用市場(chǎng)主要是智能手機(jī)內(nèi)的存儲(chǔ)，固態(tài)硬盤等。雖然海外供應(yīng)商在SLC NAND的產(chǎn)品上有著先發(fā)優(yōu)勢(shì)，但這些優(yōu)勢(shì)隨著SLC NAND市場(chǎng)的固化和國(guó)內(nèi)廠商研發(fā)的投入，也正在逐步地消失。”

SLC NAND對(duì)于三星、美光這些供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，其實(shí)是一個(gè)非常小的細(xì)分市場(chǎng)，但是對(duì)國(guó)內(nèi)廠商來(lái)說(shuō)，SLC NAND的全球市場(chǎng)足夠大，并且SLC NAND也是進(jìn)入MLC NAND、TLC NAND甚至3D NAND的必經(jīng)之路。

按照SLC NAND占全球5%的NAND FLASH市場(chǎng)份額來(lái)計(jì)算的話，SLC NAND一年也有近30億美金的TAM。臺(tái)灣的存儲(chǔ)器供應(yīng)商如旺宏、華邦也在積極地?cái)U(kuò)展SLC NAND的產(chǎn)品和應(yīng)用領(lǐng)域。

國(guó)內(nèi)的廠商的優(yōu)勢(shì)還是在于本土化。“相對(duì)于海外競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手來(lái)說(shuō)，一方面，我們更加貼近本土市場(chǎng)，能夠快速響應(yīng)客戶需求，予以充分的服務(wù)支持，可以穩(wěn)步占據(jù)供應(yīng)鏈的關(guān)鍵位置；另一方面，中國(guó)企業(yè)與本土電子產(chǎn)品制造企業(yè)在企業(yè)文化、市場(chǎng)理念等方面相互認(rèn)同，業(yè)務(wù)合作通暢、高效，形成了密切且相互依存的產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈。”上述業(yè)內(nèi)人士表示。

據(jù)了解，國(guó)內(nèi)廠商在SLC NAND的布局上，目前還都是Fabless模式，產(chǎn)品制程也從38nm進(jìn)入24nm，最近也開(kāi)始了1xnm產(chǎn)品的先期研發(fā)。除了在產(chǎn)能上需要Foundry的支持外，國(guó)內(nèi)廠商也開(kāi)始進(jìn)入高可靠性的SLC NAND領(lǐng)域，包括車規(guī)市場(chǎng)、工業(yè)領(lǐng)域等。

隨著5G通訊及安防監(jiān)控領(lǐng)域的持續(xù)增長(zhǎng)以及汽車電子等新興領(lǐng)域的興起和發(fā)展，中小容量存儲(chǔ)市場(chǎng)未來(lái)具有較大增長(zhǎng)空間。隨著國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)技術(shù)的創(chuàng)新和工藝節(jié)點(diǎn)的提升，SLC NAND市場(chǎng)有望在國(guó)內(nèi)廠商助推下實(shí)現(xiàn)“華麗轉(zhuǎn)身”。

編輯：hfy