3d nand 结构 3D NAND原厂技术比拼，哪家垂直单元效率更高？-快讯-上海羊羽卓进出口贸易有限公司

3d nand 结构 3D NAND原厂技术比拼，哪家垂直单元效率更高？

发布时间 : 2024-11-24

作者 : 小编

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3D NAND原厂技术比拼，哪家垂直单元效率更高？

近日市场研究机构Techinsights对于三星、SK海力士/Solidigm、美光、KIOXIA/WD、YMTC的200层以上的3D NAND Flash进行了对比分析，发现三星的垂直单元效率 (VCE，vertical cell efficiency) 是最高的。

传统的NAND闪存单元采用平面晶体管结构，包括控制栅极（Control Gate）和浮动栅极（Float Gate）。通过向单元施加电压，电子在浮动栅极中存储和移除。

多年来，供应商将平面 NAND 的单元尺寸从 120nm 缩小到 1xnm 节点，使容量增加了 100 倍。然而，当单元尺寸达到了 14nm 的极限，这意味着该技术不再可扩展，由此NAND原厂纷纷转向3D NAND，以实现超过 2D NAND 结构的数据密度，并能够在更新一代的技术节点上制造。

具体来说，平面 NAND 由带有存储单元的水平串组成。而在 3D NAND 中，存储单元串被拉伸、折叠并以“U 形”结构垂直竖立。实际上，这些单元以垂直方式堆叠以缩放密度。因此，3D NAND存储单元有多个层级。

3D NAND的层数描述了堆叠在一起的字线（Word Line）数量。在这些字线层上切出一个垂直柱，柱子与每条字线的交点代表一个物理单元。也就是说，每个 3D NAND 存储单元都类似于一个微小的圆柱形结构。每个微小单元由中间的垂直通道和结构内部的电荷层组成，通过施加电压，电子可以进出绝缘电荷存储膜，然后读取信号。

平面 NAND 在每个节点上都减小了单元尺寸，而 3D NAND 则采用了更宽松的工艺，大约在 30nm 到 50nm 之间。3D NAND 内存容量的扩展主要是通过添加垂直层来实现的，在这种3D NAND结构中，单元密度会随着堆栈中层数的增加而增加。然后，每隔一到两年，供应商就会从一代技术迁移到下一代技术。

根据研究数据显示，供应商平均每代 3D NAND 都会增加 30% 至 50% 的层数。而每一代新的芯片将会增加 10% 至 15% 的晶圆成本。这也使得NAND 的每bit成本能够平均以每年约20%幅度降低。

现在，超过200层的TLC NAND 产品已经逐渐成为主流，比如三星236层NAND 、SK 海力士 238层NAND、美光 232层NAND 、YMTC 232层NAND。此外还有一些接近200层的厂商，比如铠侠（KIOXIA）和西部数据的 112层/162层NAND 和 Solidigm 的 144层/ 192层 (FG) NAND。

△Techinsights从 SK 海力士 2TB SSD PC811 HFS002TEM9X152N (设备：H25T3TDG8C-X682) 中提取了 SK 海力士 238L 512 Gb 3D NAND 芯片，该芯片尺寸为 34.56mm²，位密度为 14.81 Gb/mm²。

谈到 3D NAND 单元效率，垂直单元效率 (VCE，vertical cell efficiency) 对于 NAND 单元工艺、设计、集成和设备操作而言非常重要。

随着堆叠的总栅极数量的增加，单元 VC（vertical cell）孔高度也会增加。为了降低 VC 高度和纵横比，其中一种方法是通过减少虚拟栅极（dummy gates）、通过栅极（passing gates）和选择栅极（select gates）的数量来提高垂直单元效率。垂直单元效率可以用总栅极中active cell 的百分比来定义，也就是用active WL （Word Line）除以集成的总栅极数来计算。垂直单元效率越高，工艺集成度越高，纵横比越低，整体效率越高。

VCE可定义为活跃单元占总栅极的比例，即Active WL 数量除以总集成栅极数量×100%。例如，一个NAND串由Active WL、通道WL（含dummy WL）和选择器（源极/漏极）组成。若其包含96个Active WL和总计115个栅极，则VCE为83.5%，计算方法为96/115×100%。VCE越高，对工艺集成越有利，能实现更低的纵横比和更高的生产效率。

Techinsights发现，在多代 3D NAND 产品中，三星始终以最高的垂直单元效率领跑行业。他们最新的多层V-NAND 在前几代以高效著称的基础上，拥有令人印象深刻的垂直单元效率。美光和YMTC也在其产品中展示了强劲的垂直单元效率数据，这反映出它们在减少虚拟栅极、通过栅极和选择栅极数量方面取得了显著进步，从而优化了垂直单元效率。

△3D NAND 垂直单元效率趋势

总结来看，三星每一代产品的VCE都是最高的，比如采用单层结构的128层是94.1%，176层COP V-NAND是92.1%，236层2nd COP V-NAND是94.8% 。YMTC的232层Xtacking 3.0的VCE是91.7%，美光232层是91%。KIOXIA 162层的VCE稍低一些，为88%。SK海力士238层共有259个门，VCE为91.9%，仍然低于三星的236L。

编辑：芯智讯-林子

980亿元，三星宣布储存芯片提价15%-20%，国产存储芯片压力巨大

近日，三星电子宣布将旗下的存储芯片，包括DRAM和NAND闪存在第三季度提价15%-20%，理由是人工智能的需求激增。

要知道三星在第二季度已经将企业级NAND闪存价格提升了20%，加上这次提价，部分产品价格提升了40%。

但这还没完，市场分析预计整个存储芯片价格将在年内上涨50%，这对中国芯片市场来说绝不是什么好消息。

中国一直是芯片进口大国，尽管近几年国产芯片有了很大提升，产能也有了很大提升，但同时因为新能源汽车、人工智能的发展，芯片需求也日益增长。所以整体算下来，我们进口芯片数量下降并不是很大。

2023年，中国进口芯片额同比下降了15.4%，但仍达到了3494亿美元，约合人民币25400亿，其中存储芯片进口额度为900亿美元左右，约合人民币6540亿。

那么随着三星存储芯片的提价，我们的进口芯片价格势必会大幅提升，我们按照最低涨幅15%计算，就要多花费980亿人民币，如果按照全年50%目标涨幅计算的话，仅在存储芯片方面就要多花费3270亿元。

这个绝不是耸人听闻，因为三星是全球最大的存储芯片厂商，它的涨价具备示范作用，其他厂商会立即跟随。

根据相关数据，三星存储芯片份额达到了40%，位居全球第一，排在第二位的是SK海力士、整体份额接近30%，美光排在第三位市场份额为25%左右。

这三家公司把控了全球超过90%的存储芯片，其中DRAM市场达到了恐怖的95%，NAND闪存也超过了90%。

更为尴尬的是，这三家企业“穿一条裤子”。三星、SK海力士表面上是韩国的企业，但其背后大股东是美国资本，美光则是妥妥的美国企业。

所以在这种情况下，三星上调存储芯片价格，意味着全球存储芯片价格将迎来一波上涨。

当然，我们国内也有存储芯片厂商，制造DRAM的长鑫存储、制造NAND闪存的长江存储。

长江存储成立于2016年7月，背靠紫光集团、国家大基金，又继承了武汉新芯的技术经验，曾一度成为了中国存储芯片的希望。

公司成立之初就拿出了2000亿资金，在南京筹建月产能10万片的存储芯片基地，这个大手笔在全球都很罕见。

之后，长江存储又在工艺上下功夫。

2017年11月，实现32层 NADA Flash量产，工艺水平进入前五；

2019年底，实现量产64层 NADA Flash量产，工艺水平进入前四；

2020年4月，实现128层 NADA Flash商用，超越美光，工艺水平进入全球三强。

2022年8月，全球首发232 层3D NAND 结构，领先三星、SK海力士，成为当时的全球第一。

工艺实现逆袭超越的同时，市场份额也水涨船高增长到了4%，公司也制定出了短期6%，长期20%的宏伟目标。

但随着美、日、荷对半导体设备的限制，长江存储在产能和先进工艺上受到了限制，因为长江存储，对美、日、荷设备的依赖程度高达75%，国产设备占比仅为15%左右。

长江存储董事长陈南翔气愤的表示：依法合规买回来的设备连零件也拿不到，如果要公平、诚信，就应该在新的条件下把设备回购。

与此同时，另一家存储芯片企业长鑫存储也遭遇着类似的情况。

长鑫存储成立于2017年，在奇梦达留下的芯片技术基础上，进行了升级改造，开始进入DRAM市场。

背靠国家大基金，发展很快，到了2019年9月，长鑫存储量产了19nm DDR4 芯片，进入国际主流行列。

2020年4月，与美国半导体公司蓝铂世签署了专利许可协议，获得了大量的DRAM技术专利。

2021年长鑫存储产能扩大至6万片/月，2022年产能进一步达到12万片/月，全球市场份额突破3%。

但是长鑫存储和长江存储存在一个共同问题，那就是严重依赖海外设备，在半导体设备出口限制下，产能也出现了下降，全球份额下降至2.6%。

2023年第四季度，全球存储芯片市场份额上，长江存储、长鑫存储都被归类于“Others”。

之后，三星开始对存储芯片价格提价，部分产品价格已经较低点实现了近一倍的涨幅，这让三星、SK海力士等存储巨头赚的盆满钵满。

今年一季度，三星电子净利润达到357亿元，同比暴增3倍，SK海力士由亏损转为盈利150亿。

这些利润，中国市场贡献了很多，因此三星堆涨价十分执着，一位半导体业内人士表示：涨价不仅仅是下一季度的计划，更是全年的计划，因为供应商占市场主导地位，因此最终涨价会高于15%-20%。

此外，三星还积极开发HBM（高带宽存储芯片）

HBM是是一种新型的CPU/GPU内存芯片，因为价格较高，很多厂商并不适用这类型的存储芯片，但是随着人工智能的发展，催生海量算力需求，对芯片内存容量和传输带宽要求更高。

而HBM恰好能够满足这一条件，于是各大存储厂商开始在该领域展开激烈的竞争。

三星、SK海力士、美光均增加了在HBM领域的投资，三星更是成功的研发出业界首款HBM3E 12H高带宽存储芯片，看来三星在存储芯片领域的技术和实力绝不容小觑。

三星介绍HBM3E 12H采用了先进的12层堆叠技术，实现了36GB大容量，全天候带宽达到了惊人的1280GB/s，相比前代产品有了显著的提升。

如果英伟达使用上三星这款芯片，将会让其GPU如虎添翼，这对中国的AI芯片，乃至整个AI产业都是不利的。

而华为的昇腾芯片如果使用上这款芯片，也会出现质的提升，将会缩小与海外先进算力芯片的差距。

在全球“all in”人工智能的时代，高带宽算力芯片无疑成为了角逐的焦点，海外厂商正在不断的增加资金投入，提升存储芯片的容量、速度和稳定性。

这对国内存储芯片厂商也提出了新的挑战，不但要追赶DRAM、NAND闪存，还要追赶HBM，否则在技术落后，产能不足的情况下，国外厂商将会持续的“割韭菜”。

我们花费大量的资金去购买“二等货”，会让技术差距越来越大。

国产芯片需要资金投入，更需要留住人才，科技之间的竞争，归根结底就是人才之间的竞争，同时还要把资金花在刀刃上。

中国背靠14亿人才库，每年上千万的大学毕业生，人才自然不少，但如何留住、用好，还需要下功夫。

作为全球第二大经济体，集中力量办大事这是我们的优势，但是如何将这些庞大的人力、财力用在刀刃上，也是需要下功夫的。

只要这两个“功夫”做好，就不愁中国芯片实现不了逆袭超越，您说呢？

我是科技铭程，欢迎共同讨论！

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