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近日，存儲(chǔ)模塊公司消息人士透露，三星已通知客戶，打算將512Gb NAND閃存晶圓的報(bào)價(jià)提高到1.60美元，較年初上漲15%，這一變化最早可能在8月中旬反映在現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格中。
過(guò)去的幾個(gè)季度，存儲(chǔ)器市場(chǎng)經(jīng)歷了15年來(lái)最嚴(yán)重的低迷期，自2021年第三季度以來(lái)，DRAM和NAND的平均售價(jià)（ASP）分別下跌了57％和55％，在2023年初NAND價(jià)格達(dá)到0.05美元/GB。
不過(guò)，Yole旗下Yole Intelligence在其《2023存儲(chǔ)器行業(yè)現(xiàn)狀》報(bào)告中聲稱，物極必反，存儲(chǔ)器市場(chǎng)有望進(jìn)入一個(gè)新的增長(zhǎng)階段，預(yù)計(jì)到2023年下半年將觸底反彈。而中國(guó)的存儲(chǔ)器廠商更是雄心勃勃，將在全球存儲(chǔ)器市場(chǎng)復(fù)蘇過(guò)程中扮演主要的角色。
緊張局勢(shì)不斷升級(jí)，中國(guó)企業(yè)狀態(tài)良好
DRAM和NAND的價(jià)格2022年全年業(yè)績(jī)?nèi)缦拢篋RAM和NAND收益分別下降至約797億美元（年同比下降15%）和約587億美元（年同比下降12%）；而NOR閃存的收益年同比下降8%，至32億美元。
Yole Intelligence首席技術(shù)與市場(chǎng)分析師Simone Bertolazzi博士解釋說(shuō)：“最嚴(yán)重的下滑始于2022年第二季度的最后幾周，當(dāng)時(shí)需求側(cè)在全球性沖突、高通脹、中國(guó)新冠疫情封控等各種因素共同作用下，形成了一場(chǎng)完美風(fēng)暴，對(duì)存儲(chǔ)器市場(chǎng)造成了巨大沖擊?！?/p>
為應(yīng)對(duì)市場(chǎng)不測(cè)，供應(yīng)商們開(kāi)始減產(chǎn)，到2023年底可達(dá)到市場(chǎng)平衡。然而，到目前為止，這造成了巨大的財(cái)務(wù)損失，供應(yīng)商們需要比平時(shí)更長(zhǎng)的恢復(fù)時(shí)間才能再次增加投資。因此，2024年和2025年的市場(chǎng)特征將是供不應(yīng)求和價(jià)格攀升，預(yù)期收益將會(huì)飆升。
2020-2023年NAND和DRAM資本支出（10億美元）
2023年DRAM收益將降至420億美元（年同比下降47%），NAND收益將降至370億美元（年同比下降37%），到2025年，存儲(chǔ)器的總收益預(yù)期將從2022年的1440億美元增長(zhǎng)至2025年的超過(guò)2000億美元，創(chuàng)出新高。
2022-2024年按技術(shù)細(xì)分的存儲(chǔ)器市場(chǎng)收入
自2022年下半年存儲(chǔ)器衰退周期以來(lái)，三星和SK海力士進(jìn)一步削減了NAND的產(chǎn)量。不過(guò)，面對(duì)貿(mào)易戰(zhàn)緊張局勢(shì)不斷升級(jí)，中國(guó)企業(yè)并沒(méi)有示弱，依然狀態(tài)良好。根據(jù)美國(guó)商務(wù)部（DoC）2022年10月出臺(tái)的出口管制政策，對(duì)先進(jìn)芯片和芯片設(shè)備作出了嚴(yán)格限制。新規(guī)定要求美國(guó)供應(yīng)商獲得向在中國(guó)運(yùn)營(yíng)的生產(chǎn)商交付和支持128L及以上NAND設(shè)備的許可證。
中國(guó)存儲(chǔ)器廠商面臨著強(qiáng)大的阻力，產(chǎn)量增長(zhǎng)的前景變得不確定，被列入美國(guó)的“實(shí)體清單”的長(zhǎng)江存儲(chǔ)和長(zhǎng)鑫存儲(chǔ)的晶圓總產(chǎn)能可能在未來(lái)五年內(nèi)限制在約18億片（pm）。面對(duì)未來(lái)的不確定性，長(zhǎng)江存儲(chǔ)和長(zhǎng)鑫存儲(chǔ)做出了相應(yīng)的反應(yīng)，制定了技術(shù)路線圖和近期投資計(jì)劃。
中國(guó)雙龍出海
長(zhǎng)鑫存儲(chǔ)是國(guó)內(nèi)的DRAM IDM龍頭，有機(jī)會(huì)追趕國(guó)際巨頭。從技術(shù)上看，其核心技術(shù)是來(lái)自奇夢(mèng)達(dá)遺留的DRAM專利，后來(lái)為了規(guī)避可能存在的專利風(fēng)險(xiǎn)，長(zhǎng)鑫存儲(chǔ)投入25億美元研發(fā)費(fèi)用對(duì)原有芯片架構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)?；谶@一專利技術(shù)，長(zhǎng)鑫存儲(chǔ)成功量產(chǎn)19nm工藝DDR4和LPDDR4，成為全球第四家具備20nm以下工藝DRAM產(chǎn)品的廠商，也是目前中國(guó)大陸唯一自主生產(chǎn)DRAM的廠商。
長(zhǎng)鑫存儲(chǔ)從2019年開(kāi)始量產(chǎn)第一代10nm（1x或18-19nm）DRAM，兩年后其良率仍停留在75%的水平。目前，合肥長(zhǎng)鑫的17nm工藝DDR5內(nèi)存芯片良率已達(dá)到40%，尚未量產(chǎn)。
前不久，彭博社介紹了長(zhǎng)鑫存儲(chǔ)IPO情況，有望今年登陸科創(chuàng)板的長(zhǎng)鑫存儲(chǔ)估值將不低于1000億元人民幣（約合145億美元）。對(duì)于一家成立才六年的公司來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)驚人的數(shù)字。在全球存儲(chǔ)器產(chǎn)業(yè)的大背景下，這件事表明了跨國(guó)存儲(chǔ)器供應(yīng)商的資本支出將在兩年內(nèi)輕松超過(guò)10億美元。
Simone Bertolazzi也判斷說(shuō)：“盡管中國(guó)存儲(chǔ)器行業(yè)的未來(lái)仍不確定，但很明顯，存儲(chǔ)器將繼續(xù)成為中國(guó)半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)的戰(zhàn)略重點(diǎn)。中國(guó)將盡一切可能保持其主力存儲(chǔ)器公司長(zhǎng)江存儲(chǔ)和長(zhǎng)鑫存儲(chǔ)的活力和運(yùn)營(yíng)。”
長(zhǎng)江存儲(chǔ)是一家專注于3D NAND閃存設(shè)計(jì)制造一體化的IDM企業(yè)，其自主技術(shù)與國(guó)際頂尖水平的差距更小。盡管面臨著非常具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境，長(zhǎng)江存儲(chǔ)還是取得了重大進(jìn)展。2022年長(zhǎng)江存儲(chǔ)的全球市占率約為5%，成為世界第6大NAND制造商，排名三星電子、SK海力士、鎧俠、西部數(shù)據(jù)和美光之后。
問(wèn)題在于，雖然還沒(méi)有占據(jù)顯著的市場(chǎng)份額，長(zhǎng)江存儲(chǔ)卻已被主要玩家視為了一種威脅。自2016年成立以來(lái)，長(zhǎng)江存儲(chǔ)利用技術(shù)優(yōu)勢(shì)迅速崛起，不斷與三星、SK海力士、美光科技、西部數(shù)據(jù)和鎧俠等歷史玩家進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，并在與美國(guó)的雙邊貿(mào)易緊張局勢(shì)中首當(dāng)其沖受到影響。
2022年9月，蘋(píng)果稱已批準(zhǔn)將長(zhǎng)江存儲(chǔ)生產(chǎn)的3D NAND閃存在其即將推出的iPhone 14智能手機(jī)中使用。長(zhǎng)江存儲(chǔ)的技術(shù)水平將確保蘋(píng)果下一代產(chǎn)品的閃存供應(yīng)穩(wěn)定。如果長(zhǎng)江存儲(chǔ)真的得到了這個(gè)芯片訂單，很有可能一舉超過(guò)三星、SK海力士等企業(yè)，成為全球最大的儲(chǔ)存芯片供應(yīng)商。
不過(guò)，2022年12月，在美國(guó)一些人對(duì)蘋(píng)果“是一種背叛”的指責(zé)聲中，蘋(píng)果“變臉”放棄了長(zhǎng)江儲(chǔ)存的芯片。與三年前的華為一樣，長(zhǎng)江存儲(chǔ)也上了美國(guó)實(shí)體清單。
中國(guó)對(duì)“實(shí)體清單”的限制反應(yīng)迅速，2023年一季度末，長(zhǎng)江存儲(chǔ)啟動(dòng)代號(hào)為“武當(dāng)山”的反擊計(jì)劃，目的是使用國(guó)產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)先進(jìn)的存儲(chǔ)芯片,以實(shí)現(xiàn)中國(guó)芯的自給自足。此舉大大加強(qiáng)了與中國(guó)設(shè)備供應(yīng)商的合作，包括北方華創(chuàng)，并從國(guó)家支持的投資者那里獲得了約70億美元資金。
長(zhǎng)江存儲(chǔ)的核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)
長(zhǎng)江存儲(chǔ)NAND內(nèi)存的核心是Xtacking?架構(gòu)，其所有3D NAND芯片都采用Xtack方法制造。Xtack要使用兩個(gè)單獨(dú)的晶圓，而傳統(tǒng)上只使用一個(gè)晶圓。它通過(guò)將CMOS die（晶粒）和NAND陣列晶圓面對(duì)面連接來(lái)構(gòu)建NAND die，兩個(gè)晶圓使用金屬焊盤(pán)結(jié)合在一起。由于兩個(gè)晶圓可以同時(shí)制造，有助于制造商在存儲(chǔ)器需求高的情況下縮短生產(chǎn)周期。
die截面圖顯示了交替的鎢字線（Word Line）和SiO（柵絕緣）層的兩層疊層相繼形成。采用這種方法可以減少高縱橫比蝕刻。如果是構(gòu)建在一個(gè)層面中，蝕刻溝道縱橫比將為109:1，會(huì)導(dǎo)致非常復(fù)雜的溝槽蝕刻和填充工藝，以及更高的蝕刻缺陷數(shù)。
該策略最終在良率損失和重復(fù)蝕刻工藝引起的成本之間找到了正確的平衡。在垂直NAND串中可觀察到253條字線；128層形成Deck 1（層面1），125層形成Deck 2。除了232個(gè)有源層之外，其余的有源層被劃分為虛設(shè)層和選擇層。
長(zhǎng)江存儲(chǔ)128層和232層die截面SEM視圖
長(zhǎng)江存儲(chǔ)采用混合直接鍵合技術(shù)構(gòu)建無(wú)化學(xué)物質(zhì)的銅到銅互連，將存儲(chǔ)器制造過(guò)程中的晶圓連接在一起。介電材料和來(lái)自兩個(gè)晶圓的銅金屬之間的物理相互作用形成了牢固的鍵合。
通過(guò)表面的等離子體處理和熱/退火工藝進(jìn)一步加強(qiáng)了鍵合界面。通過(guò)這種技術(shù)，長(zhǎng)江存儲(chǔ)能夠?qū)⒑副P(pán)間距縮小到0.8μm。此外，精確的焊盤(pán)對(duì)準(zhǔn)使22nm焊盤(pán)失配僅占焊盤(pán)表面的6%。
長(zhǎng)江存儲(chǔ)232層die截面交替鎢字線和氧化物層-SEM視圖
從232層3D NAND存儲(chǔ)器的關(guān)鍵特性及對(duì)比分析來(lái)看，由于進(jìn)一步掌握了Xtack技術(shù)，長(zhǎng)江存儲(chǔ)的第四代存儲(chǔ)芯片具有更快的I/O傳輸速度和更高的存儲(chǔ)密度。
自第二代die以來(lái)，堆疊設(shè)計(jì)與最小化的焊盤(pán)和字線間距相結(jié)合，使長(zhǎng)江存儲(chǔ)能夠?qū)⒋鎯?chǔ)密度提高3.5倍。15.47Gb/s2的232層NAND芯片吊打了三星和美光176層3D NAND，后者分別僅達(dá)到10.9Gb/s2和10.29Gb/s2。
長(zhǎng)江存儲(chǔ)232層die截面Xtacking焊盤(pán)界面SEM視圖
對(duì)于從一代到下一代（32、64和128GB）翻了一番的容量，長(zhǎng)江存儲(chǔ)的die面積沒(méi)有太大變化（增加約5%到10%）。由于層數(shù)增加了一倍，die厚度也會(huì)增加一倍。為了最小化堆疊的總高度，與上一代相比，長(zhǎng)江存儲(chǔ)將字線間距減少了20%。
AI算力爭(zhēng)霸，存儲(chǔ)芯片巨頭升級(jí)加快
在人工智能（AI）領(lǐng)域，自去年英偉達(dá)發(fā)布世界首款采用HBM3的GPU H100以來(lái)，HBM3及更先進(jìn)HBM芯片的熱度一直居高不下，生成式AI的開(kāi)發(fā)和商業(yè)化競(jìng)爭(zhēng)日益加劇，對(duì)AI相關(guān)存儲(chǔ)的需求大幅增加。首當(dāng)其沖的是HBM（高帶寬存儲(chǔ)器），從近日SK海力士和三星的最新財(cái)報(bào)即可見(jiàn)一斑。
雖然今年的重頭戲是縮減開(kāi)支，但存儲(chǔ)芯片巨頭對(duì)HBM的投資相當(dāng)舍得。掌控全球90% HBM芯片市場(chǎng)的兩家大廠均表態(tài)，計(jì)劃明年將HBM芯片產(chǎn)量翻一番。
HBM屬于DRAM的分支，采用堆疊工藝提高圖形處理器（GPU）等計(jì)算芯片的帶寬和性能，具有尺寸更小、功耗更低、帶寬更高、處理數(shù)據(jù)速度更快等優(yōu)勢(shì)。
自2013年開(kāi)發(fā)出全球首款HBM芯片以來(lái)，SK海力士一直處于領(lǐng)先地位。之后SK海力士與三星開(kāi)始了激烈的HBM搶位，爭(zhēng)相量產(chǎn)HBM2、HBM2E等芯片。根據(jù)TrendForce數(shù)據(jù)，2022年SK海力士占有全球HBM市場(chǎng)50%份額，三星為40%，美光排名第三占10%。
TrendForce預(yù)測(cè)，2023年全球HBM芯片需求將增長(zhǎng)60%，達(dá)到2.9億GB，2024年將增長(zhǎng)30%，2025年有望超過(guò)20億美元。行業(yè)分析公司SemiAnalysis也指出，HBM的價(jià)格約為標(biāo)準(zhǔn)DRAM芯片的5倍，利潤(rùn)豐厚，預(yù)計(jì)到2026年HBM全球存儲(chǔ)器收入比例將從目前的不到5%增長(zhǎng)到20%。
混合鍵合是下一代存儲(chǔ)器的關(guān)鍵
Yole認(rèn)為，到2030年，DRAM有望實(shí)現(xiàn)3D。2022年，三星、SK海力士和美光都在大量出貨10nm級(jí)1α（alpha）節(jié)點(diǎn)DRAM。SK海力士和三星已采用EUV光刻技術(shù)制造DRAM，而美光最終將從1γ（gamma）工藝節(jié)點(diǎn)開(kāi)始使用。
在NAND業(yè)務(wù)中，所有領(lǐng)先的公司都引入了3D NAND技術(shù)，這些技術(shù)依賴于優(yōu)化邏輯電路面積和位置的特定策略，如CMOS Under Array（CuA，陣列下CMOS）和晶圓到晶圓鍵合解決方案，例如長(zhǎng)江存儲(chǔ)的XtackgTM。如今，所有存儲(chǔ)器制造商都在研發(fā)混合鍵合，主要NAND供應(yīng)商已將其納入路線圖：鎧俠和西部數(shù)據(jù)已宣布其218L 3D NAND一代，美光于2022年與Adeia簽訂了許可協(xié)議，SK海力士宣布混合鍵合將于2025年進(jìn)入量產(chǎn)。
不過(guò)，混合鍵合尚未在當(dāng)前一代HBM中使用，但未來(lái)幾年將需要它來(lái)繼續(xù)提高存儲(chǔ)器帶寬和功率效率，并最大限度地減少HBM堆疊厚度。Yole預(yù)測(cè)，HBM制造商將從HBM3+一代開(kāi)始采用混合鍵合，每個(gè)堆疊有16個(gè)DRAM die。
所有主要DRAM制造商都在研究單片3D DRAM，并將其作為長(zhǎng)期DRAM擴(kuò)展的潛在解決方案，并已納入主要設(shè)備供應(yīng)商的路線圖中。Yole相信，3D DRAM一定會(huì)實(shí)現(xiàn)，但不會(huì)在未來(lái)五年內(nèi)實(shí)現(xiàn)。
2022-2028 NAND和DRAM量產(chǎn)路線圖
中國(guó)廠商繼續(xù)發(fā)力
業(yè)界認(rèn)為，長(zhǎng)江存儲(chǔ)的232層3D NAND存儲(chǔ)器是一項(xiàng)意想不到的技術(shù)突破。它在推出第二代64層3D NAND——當(dāng)時(shí)業(yè)內(nèi)存儲(chǔ)密度最高的芯片，僅用了三年時(shí)間，就上演了一場(chǎng)技術(shù)政變，發(fā)布了具有232字線層和有史以來(lái)最高存儲(chǔ)密度的新器件，打破了紀(jì)錄。
既然混合鍵合是實(shí)現(xiàn)下一代3D NAND和HBM未來(lái)趨勢(shì)的關(guān)鍵，既然到2030年DRAM有望實(shí)現(xiàn)3D，而長(zhǎng)江存儲(chǔ)在2020年2月就申請(qǐng)了《混合晶圓鍵合方法及其結(jié)構(gòu)》專利，2021年10月又與美國(guó)專利公司Xperi達(dá)成專利授權(quán)協(xié)議，獲得了后者的DBI混合鍵合技術(shù)相關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，而且長(zhǎng)江存儲(chǔ)的Xtacking?也是混合鍵合最典型的應(yīng)用，我們有理由相信，中國(guó)存儲(chǔ)器廠商有望在白熱化的競(jìng)爭(zhēng)中更進(jìn)一步，實(shí)現(xiàn)更大的突破！
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