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nand 存储时间长江存储128层TLC闪存拆解：存储密度高达848Gbmm²，远超三星等

发布时间 : 2024-11-24

作者 : 小编

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长江存储128层TLC闪存拆解：存储密度高达848Gbmm²，远超三星等

去年4月，国产存储芯片厂商长江存储（YMTC）宣布其128层3D NAND 闪存研发成功。包括拥有业界最高单位面积存储密度，最高I/O传输速度和最高单颗NAND 闪存芯片容量的1.33Tb 128层QLC 3D NAND闪存，以及512Gb 128层TLC闪存。

近日，国外权威研究机构Tech Insights对长江存储的128层TLC 3D闪存进行了芯片级的拆解，发现其存储密度达到了目前业界最高的8.48 Gb/mm²，远高于三星、美光、SK海力士等一线NAND芯片大厂。

据介绍，Tech Insights拆解的是Asgard（阿斯加特）的PCIe4.0 NVMe1.4 AN4 1TB SSD，其内部采用的正是长江存储的128层TLC 3D NAND 闪存芯片，这也意味着长江存储128层TLC 3D NAND 闪存芯片已量产。该SSD硬盘的PCB上总共四颗256GB NAND闪存，单个封装内是4颗芯片，也就是说单颗芯片容量为512Gb。该NAND闪存的型号为YMN09TC1B1HC6C（日期代码：2021 9W）。

△长江存储512 Gb 128层3D TLC NAND 芯片的外观，型号为YMN09TC1B1HC6C

根据长江存储此前公布的数据显示，在传统3D NAND架构中，外围电路约占芯片面积的20~30%，这也使得芯片的存储密度大幅降低。而随着3D NAND技术堆叠到128层甚至更高，外围电路所占据的芯片面积或将达到50%以上。而Xtacking技术则是将外围电路置于存储单元之上，从而实现比传统3D NAND更高的存储密度。

所以，长江存储512Gb 128层Xtacking 2.0 TLC芯片同样也是采用了两个晶圆来集成3D NAND，因此拆解后可以找到两个die，一个用于NAND阵列的die，另一个用于CMOS外围电路的die。

△长江存储512 Gb 128层Xtacking 2.0 3D TLC NAND die标记（ CDT1B）

△长江存储512 Gb 128层Xtacking 2.0 3D TLC NAND芯片COMS外围的die标记（CDT1A 或 CDT1B）

作为对比，上一代的64层 Xtacking 1.0架构的TLC NAND die标记为（Y01-08 BCT1B）和 CMOS外围电路die 标记为（Y01A08 BCT1B）。

根据Tech Insights的实测，长江存储512Gb 128层Xtacking 2.0 TLC的die尺寸为60.42mm²，这也意味着其单位密度增加到了8.48 Gb/mm2，比 256Gb 64层的Xtacking 1.0 die 高出了92% 。读取速度达到了7500 MB/s，写入速度也高达5500 MB/s。

△长江存储512Gb 128层Xtacking 2.0 TLC NAND的die平面图

CMOS外围电路die则集成了页缓冲器、列解码器、电荷泵、全局数据通路和电压发生器/选择器。

△长江存储512Gb 128层Xtacking 2.0 TLC NAND芯片的CMOS外围电路die平面图

Tech Insights称，长江存储128层Xtacking 2.0单元体系结构由两个通过层接口缓冲层连接的层组成，这与KIOXIA 112L BiCS 3D NAND结构的过程相同。单元大小、CSL间距和9孔VC布局与以前的64L Xtacking 1.0单元保持相同的设计和尺寸（水平/垂直方向间距）。门的总数为141（141T），包括用于TLC操作的选择器等。

△垂直方向的长江存储3D NAND单元结构，以及注释为32L（T-CAT带39T）、64L（Xtacking 1.0带73T）和128L（Xtacking 2.0带141T）的门的总数。

Tech Insights表示，长江存储128层Xtacking 2.0上层有72个钨闸门，下层有69个闸门。包括BEOL Al、NAND die和外围逻辑管芯在内的金属层总数为10，这意味着与64L Xtacking 1.0工艺集成相比，外围逻辑管芯中增加了两个铜金属层。通道VC孔高度增加一倍，为8.49µm。

△长江存储三代3D NAND的比较：Gen1（32L）、Gen2（64L，Xtacking 1.0）和Gen3（128L，Xtacking 2.0）。

与三星（V-NAND）、美光（CTF CuA）和 SK海力士（4D PUC）的现有128层512 Gb 3D TLC NAND 芯片的die尺寸相比，长江存储512Gb 128层Xtacking 2.0 TLC NAND芯片的die尺寸更小，单位密度最高。

长江存储128层TLC NAND die平面布置图和两层阵列结构与美光和SK海力士相同，但长江存储的每个字符串的选择器和虚拟WL数为13，小于美光和SK 海力士（两者均为147T）。由于长江存储所采用的Xtacking混合键合方法，使得其使用的金属层数量远高于其他产品。

△128层512 Gb 3D TLC NAND产品的比较，包括刚刚发布的YMTC 128L Xtacking 2.0 3D NAND。

从上面的对比数据来看，长江存储512Gb 128层Xtacking 2.0 TLC NAND芯片的单位存储密度达到了8.48b/mm²，远高于三星的6.91Gb/mm²、美光的7.76Gb/mm2、SK海力士的8.13Gb/mm²，达到了目前业界最高单位存储密度。

目前长江存储Xtacking 2.0架构的512Gb 128层TLC NAND芯片已量产。虽然三星、SK海力士、美光等厂商也在致力于开发176层3D NAND闪存芯片，但是他们目前最先进的量产产品还是128层。

作为一家成立仅数年的国产NAND Flash闪存芯片厂商，长江存储在国外巨头已领跑数十年的存储技术领域，能够在如此短的时间内追赶上来，并且取得技术上的领先，实属不易。

编辑：芯智讯-浪客剑资料来源：Tech Insights

中信证券：全球半导体供应链大变革，推荐半导体设备、零部件国产化机会

当前正处于全球半导体供应链的大变革阶段，一方面在各国加大政策补贴背景下，产能扩张持续加码，扩产潮下设备企业受益显著；另一方面在施加外部限制背景下，供应链安全得到重点关注，本土设备材料零部件供应商更多承接本土需求，获得持续份额提升。我们认为，中国大陆拥有全球最广泛的电子制造、终端品牌和市场需求优势，下游需求带动上游供应链转移是顺应历史潮流的趋势，一方面国内在成熟制程领域仍与海外厂商具有充分合作基础，强调商业共赢，另一方面从供应链安全考量有望加速国产设备、零部件的研发、验证，建议关注国产化趋势下设备、零部件的发展机遇。

▍美国参众两院已通过芯片法案，推动芯片制造回流美国。

美国提出5年内为半导体行业提供527亿美元补贴的“芯片与科学法案” （CHIPS and Science Act of 2022），2022年7月19日、7月28日，美国参议院、众议院分别以64票赞成对33票反对、243票赞成对187票反对，通过了该“芯片与科学法案”，该法案在总统拜登签署后即可生效。法案目的是强化美国本土的晶圆厂建设，减少对亚洲制造商的依赖。扶持对象以全球龙头芯片制造企业为主，如英特尔、三星、台积电和格芯等，通过补贴以及四年25％的投资税收抵免等措施鼓励其在美国建设先进芯片制造工厂。法案同时规定受到芯片法案资助的公司十年内禁止在中国大陆、伊朗、朝鲜和俄罗斯建设或扩建先进晶圆厂。

▍除美国外，全球多个经济体此前陆续推出本土芯片扶持计划，包括欧盟、日本、韩国、印度等，芯片制造本土化趋势明显，促进设备采购。

欧盟委员会于2022年2月8日推出《欧洲芯片法案》（European Chips Act），拟动员超过430亿欧元（约480亿美元）的公共和私人投资强化欧洲的芯片研究、制造，目标是到2030年将欧盟的芯片产能全球占比从目前的10％提高到20％。日本于2022年1月初亦通过一项芯片补贴法案，总计6000亿日元（约52亿美元）的预算将用于支持芯片制造商，其中向台积电提供4000亿日元（约34.7亿美元）的补贴。2021年5月，韩国发布“K半导体战略”，宣布未来十年将携手三星电子、SK海力士等153家韩国企业，投资510万亿韩元（约4510亿美元），目标是将韩国建设成全球最大的半导体生产基地，引领全球的半导体供应链。2021年12月，印度政府亦批准一项约100亿美元的激励计划，旨在吸引全球芯片及显示器制造商进入印度。

▍在各地区补贴政策支持下，半导体制造企业积极扩大产能。

根据研究机构SEMI的预估，2020年到2021年，全球共有34个新晶圆厂投入使用，从2022年到2024年，全球计划有58个新晶圆厂投入使用，这将使得全球芯片产能提高约40％。其中，台积电2022年将建设两座海外工厂，分别为美国亚利桑那州Fab21以及日本熊本工厂，目前均已经开始建设；英特尔宣布在美国俄亥俄州投资200亿美元建造至少两座晶圆厂，计划2025年投产，此外还将在德国马格德堡市投资190亿美元建造至少两家晶圆厂；三星宣布将耗资170亿美元在美国德克萨斯州建立一座芯片生产基地，最快在2024年投产。中国大陆企业亦加速扩产，2020年6月，总投资240亿美元的长江存储项目二期开工；2021年9月，中芯国际宣布投资88.7亿美元在上海市建设新的半导体工厂中芯东方；2021年6月，长鑫存储项目二期开工，项目的三期总投资超过2200亿元（约325亿美元）。

▍全球扩产带动半导体设备交期延长，半导体设备厂商在手订单饱满。

TrendForce调研数据显示，全球半导体设备交期再度延长至18~30个月不等，因此全球制造厂商的成熟及先进制程布局均受到影响，整体扩产计划递延约2~9个月不等。设备中DUV光刻机缺货情况最为严重，其次为CVD/PVD沉积及蚀刻设备等。在全球设备需求暴增的背景下，相较于海外设备，国产设备交期相对较好，在配套服务、响应速度方面具有优势，供应链安全方面具有保障，均实现了营收快速增长。

▍外部限制加码，我们推测美国或采取“小院高墙”式精准封锁，可能限制用于14纳米及以下工艺以及128层以上NAND Flash存储芯片的美国半导体设备销往中国大陆，设备供应安全得到重点关注。

近期美国在半导体领域陆续施加对华限制：

1）据彭博社报道，7月27日，泛林半导体（LAM Research）CEO在财报会中表示已收到美国商务部通知，将限制14纳米及以下先进制程设备销往中国大陆；

2）据路透社8月1日报道，美国正在考虑限制向中国大陆出口用于128层以上NAND Flash存储芯片的美国半导体制造设备；

3）据外媒Protocol 8月2日报道，美国拟限制对华出口用于GAA技术（用于3nm及以下芯片）的芯片设计EDA软件。此外，美国2022年3月拉拢日本、韩国、中国台湾提议筹组“Chip 4联盟” ，并计划8月下旬启动工作层面会议，一方面稳固芯片供应，另一方面以期牵制中国大陆。目前韩国在存储行业、日本在设备与材料行业、中国台湾在晶圆代工制造行业均占据领先地位，美国意在联合以上地区搭建对华的半导体供应链壁垒。

▍下游需求庞大，供应链安全考量催化国产设备、零部件的研发、验证，相关国产厂商有望崛起。

中国大陆拥有的全球最广泛的电子制造、终端品牌和市场需求基础，相应带动国产芯片采用和本土芯片制造规模成长。近年来中国大陆本土产能快速增长拉动庞大的设备需求，根据SEMI数据，中国半导体设备市场规模从2017年的82.3亿美元提升至2021年的296.2亿美元，四年CAGR为37.7％，对应全球市场占比也从14.5％迅速提升至28.9％，成为半导体设备的最大市场。

我们认为国内28纳米及以上成熟制程扩产或暂不受影响，否则将冲击全球芯片供应链、加剧缺芯并打击美国本土设备供应商。中国大陆目前是美国半导体设备企业销售的第一大地区，中国大陆与美国设备企业在成熟制程领域仍具有充分合作的基础。国内目前扩产中28纳米及以上仍占主流，我们认为成熟制程部分受到完全封锁的可能性较小，扩产或不受影响。同时在扩产过程中，为保障供应链安全，有望积极引入设备国产化。

我们测算了国内主要晶圆厂的设备招标采购数据，设备整体的国产化率已经从2018年的10.34％上涨到2022年上半年的24.38％，其中化学机械抛光、清洗、氧化扩散/热处理、测试、刻蚀、薄膜沉积设备在2018年国产率分别为11.1％/27.1％/14.6％/1.3％/14.3％/7.0％，到2022年上半年，国产率分别提升到 50.0％/ 48.0％/ 35.3％/ 33.3％/ 31.8％/ 23.8％，四年时间国产化率实现高速增长。预计随着国产设备厂商的工艺技术持续升级，产能及产品种类不断扩大，叠加国产替代需求持续激增，国产设备渗透率有望在未来实现进一步攀升。

▍风险因素：

国际局势恶化，行业需求下行，供应链本土化低于预期。

▍投资建议：

晶圆厂扩产新建持续，国内资本开支有望进一步攀升，同时设备材料零部件国产化是不得已而为之的艰苦道路，在外部限制加码背景下有望加速推进，建议关注设备零部件板块机会。1）当前重点推荐设备平台型龙头企业；2）重点关注细分设备领域龙头；3）建议关注布局前道湿法/量测检测领域、估值尚低的设备企业；4）关注后道测试、封装领域的企业；5）关注零部件领域的企业；6）晶圆制造回流本土成为当下全球供应链变革趋势，国内拥有全球最大的下游需求基础，国内晶圆厂有望持续承接本土需求。

本文源自金融界

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